일본산업뉴스요약

사이보그 원년 2020
로봇소재, 강하고 가볍고 유연하게
수지나 탄소섬유, 장비의 진화를 지원

잃어버린 인체의 기능을 재현하거나 인간에게는 없는 파워를 이끌어내기 위한 장비를 진화시켜 온 것은 소재업체다. 미쓰이화학은 고기능 수지나 섬유재료를 총동원해 파워 어시스트 슈트를 대폭 경량화했다. 의수나 의족 등 신체의 일부로서 사용하는 제품에서도 도레이 등이 거부감 없는 외관과 쾌적한 장착감, 순발력을 내는 소재를 공급하고 있다. 가일층의 기술 혁신에 대한 기대가 높아지고 있다.

“경량화야말로 파워 어시스트 슈트 업계 전체의 과제다”. 미쓰이화학 로봇재료사업개발실에서 로봇 소재 개발을 담당하는 다와(田和) 실장은 이렇게 강조한다. 와카야마대학발 스타트업 기업 Power Assist International(이하 Power Assist)과의 협업의 성과에 자신감을 보인다.

미쓰이화학은 2016년부터 Power Assist의 슈트 소재 개발을 담당. 제조업이나 농업, 건설업에서 무거운 짐을 옮기는 사람을 보조하는 장비로서 경량과 편리함을 추구해 왔다. Power Assist가 18년에 발매한 슈트의 무게는 4.7kg. 생후 1개월의 유아를 업고 있는 정도의 부하다. 개발 초기인 2010년 모델과 비교해 3분의 1 정도로 억제했다. 예전에는 금속이 대부분이었던 소재를 변경한 것이 경량화 부분에서 큰 역할을 담당했다.

새로운 슈트는 허리에서 허벅지에 걸친 프레임에 수지 중에서도 강도가 높은 엔지니어링 플라스틱을 채용. 허리 옆에 장착하는 모터의 커버나 등에 지는 컨트롤러 박스에는 경량과 강도를 양립할 수 있는 폴리프로필렌을 배합한 재료를 개발했다. 어깨에 닿는 부분 등은 통기성이 높은 봉제품으로 했다.

이들 연구 개발은 16년에 설치한 로봇재료사업개발실의 요청으로 다른 4개의 연구소가 협력하고 있다. 재료개발을 담당하는 고분자재료연구소 외에 개발한 재료로 제품을 설계하는 기능재료연구소, 쿠션 재료에 강한 합성화학품연구소, 물성을 평가하는 생산기술연구소다.

미쓰이화학과 Power Assist의 당분간의 과제는 3kg대의 슈트를 실현하는 것이다. 그를 위해 새로운 소재 응용에 착수하고 있다. 하나는 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)이다. 엔지니어링 플라스틱의 대체로서 사용하면 더욱 경량화를 실현할 수 있다고 한다.

다와 실장은 Power Assist와의 협력에 대해 “로봇업체는 전자시스템에는 밝지만 소재에는 그렇지 않고 소재업체는 정반대다. 때문에 잘 보완할 수 있을 것으로 본다”라고 말한다.

한편, 세계 최대 탄소섬유업체 도레이가 공급하고 있는 것이 의수∙의족용으로 응용 개발한 CFRP다. 의족업체와 협력하고 있으며 경기용 제품에서 각광을 받고 있다. 도레이의 자회사 Toray Carbon Magic(시가현)이 의족에 최적인 CFRP를 만들어냈다.

바탕이 되는 탄소섬유는 아크릴섬유를 고온에서 구워 만드는 칠흑 소재다. 무게는 철의 약 4분의 1이면서 강도는 약 10배다. 항공기 기체나 자동차 프레임 등 다양한 공업제품에서 활용되고 있다.

경기용 의족에는 선수가 지면을 박차는 힘을 적절하게 전달하는 탄력성과 신체에 부담이 되지 않는 가벼움이 요구된다. 도레이 등은 탄소섬유의 선정이나 적층에서 많은 시행착오를 겪으면서 선수가 요구하는 조건을 충족하는데 성공했다.

부상이나 병으로 잃어버린 손이나 발의 일부를 보완하기 위한 정형 재료에서는 화학업체인 Toyopolymer(오사카시)가 전개하는 의수∙의족 소재 ‘Rubyler’가 주목을 받고 있다. 재질은 의류나 구두 등에서 사용하는 폴리우레탄. 의수∙의족 재료로서 일반적인 실리콘제와 비교해 장착했을 때의 가벼움과 쾌적함이 특징이다.

Rubyler는 수십 마이크로미터 단위의 작은 구멍이 무수하게 뚫려 있는 다공질 소재다. 흡수성과 통기성이 높아 의수∙의족으로서 신체에 밀착해도 화끈거리지 않는다. 전자부품 등의 재료 제조에서 축적한 미세한 구멍을 뚫는 기술을 활용했다.

무게는 실리콘제의 40~50% 정도다. 의수의 경우는 실리콘은 약 400g이지만 Rubyler는 약 160g이다. 실리콘보다 가공도 쉽다.

차세대 소재 개발
AI 사용, ‘예상을 뛰어넘는 기능’

지금까지의 ‘사이보그’ 장비의 개발에서는 탄소섬유 등 기존의 소재가 크게 공헌해 왔다. 한편, 자동차나 전자기기에서 사용하는 차세대 소재의 개발에서는 복수의 소재를 조합하는 ‘Multi-Material화’나 인공지능(AI)을 사용한 ‘Materials Informatics(MI)’와 같은 새로운 조류가 생겨나고 있다. 이들 새로운 방법을 사용함으로써 사이보그의 진화가 가속될 가능성이 있다.

쇼와덴코(昭和電工)는 2019년 알루미늄합금과 엔지니어링 플라스틱을 직접 접합하는 기술을 개발했다. 지금까지 필요했던 볼트나 접착제가 필요 없어진다. 우선은 가볍고 강하고 얇아 스마트폰 바디 등에 적용 가능하다고 보고 있다.

도레이는 축적 데이터나 디지털 기술을 소재 개발에 활용하기 위한 부서를 19년 4월에 신설. AI를 활용해 유기EL 재료를 개발하고 있다. 지금까지 연구자가 시행착오를 겪으며 얻었던 수치를 AI가 예측한다. 도레이는 “연구자가 예상도 하지 못했던 것을 개발할 수 있는 가능성이 확대된다”라고 말한다.

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