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Nikkei X-TECH_2020.11.26

인쇄만으로 종이가 저절로 구부러져 입체 구조 형성
소프트 로봇에 기대

시바우라(芝浦)공업대학 공학부 전기공학과 조교 시게무네(重宗) 씨 팀은 종이가 자동으로 접혀 입체적 구조를 형성하는 기법을 개발했다. 셀룰로오스와 약액(藥液)의 반응을 이용한 것으로, 일반적인 잉크젯 프린터를 사용해 농도가 다른 여러 개의 약액을 종이에 인쇄하면 접는 순서나 위치를 제어할 수 있다. 전자 기능을 탑재함으로써 소프트 로봇의 실현도 가능하다고 한다.

연구팀은 식물의 구동 메커니즘을 모방해 종이가 자동으로 종이접기 구조를 만들어 내는 기법을 확립했다. 이 기법에서는 잉크젯 프린터의 잉크 카트리지에 약액을 넣어 종이에 직선을 인쇄한다. 이 때, 약액 농도가 다른 복수의 카트리지를 준비해 인쇄함으로써 주름의 위치나 접는 타이밍을 제어할 수 있어 선을 기점으로 종이가 자동으로 접히게 된다. 커팅 플로터를 사용하면 곡면이나 다수의 주름을 가진 입체 등 다양한 구조를 제작할 수 있다.

구체적인 접기의 메커니즘은 다음과 같다. 종이는 수용성 약액을 흡수해 팽창하며, 인쇄면이 볼록하게 변형된 후에 약액이 침투함에 따라 수축함으로써 오목하게 변형되어 구부러진다. 용액이 침투된 부분만 반응해 약액의 양(농도)에 따라 구부러지는 각도가 변화한다. 연구팀은 약액의 농도와 접히는데 걸리는 시간의 관계를 밝혀 내, 인쇄하는 선 폭과 종이의 두께, 습도, 종목(세로결), 인쇄량을 파라미터로서 접는 각도를 제어했다. 카트리지를 늘려 다양한 농도의 약액을 이용하면 많은 움직임을 프로그래밍 할 수 있을 가능성이 있다.

이 방법의 이점 중 하나는 셀룰로오스와 용액의 물리화학 반응의 이용으로 외부 조작이 필요 없다는 점이다. 평면의 형상으로부터 자율적으로 입체 구조를 형성하는 방법(Self-folding)은 다양한 재료를 바탕으로 제안되고 있지만, 기존에는 전류를 흐르게 하거나 오븐에 넣는 등 외부로부터 에너지를 공급해 곡선을 유발시켰다.

이미 연구팀은 일반적인 프린터로 종이에 전기 배선을 인쇄하는 방법을 발표하고 있으며, 향후에는 이 기술과 새로운 방법의 조합에도 나설 예정이다. 1대의 프린터에 구조 형성용 잉크와 배선 인쇄용 잉크 카트리지를 장전해 인쇄하면 입체 배선 기판의 제작을 기대할 수 있다. 용도로는 부드럽고 약한 제품을 보호하는 충격 흡수재나 의료용 일회용 지그, 웨어러블 센서, 액튜에이터 등을 상정한다. 그 외, 단시간에 간단하게 제작할 수 있는 전자 부품이나 부드러운 로봇 등의 실현을 목표로 한다.

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