전자 부품까지 통째 분해...서울공대 재료공학부 강승균 교수팀,

다 쓰면 ‘퇴비’ 되는 친환경 로봇 개발 
- 100만 번 움직여도 성능 그대로, 사용 후엔 식물 영양분으로 환원 
- 의료·농업·환경 분야 활용 가능… 지속 가능성과 고성능 동시에 달성 

▲ (좌측부터) 스위스 로잔연방공대 환경공학부 김경섭 박사후연구원, 서울대 재료공학부 심준석 박사후연구원, 서울대 재료공학부 김성우 석박통합과정생, 서울대 재료공학부 강승균 교수

서울대학교 공과대학은 재료공학부 강승균 교수 연구팀이 사용 중에는 고성능·고내구성을 유지하면서도, 사용 후에는 자연으로 완전히 환원되는 ‘완전 생분해·퇴비화 소프트 로봇 전자 시스템’을 개발했다고 밝혔다.   

연구진은 고내구성 생분해 엘라스토머(PGS), 생분해 접착제(PBTPA), 그리고 마그네슘(Mg)·몰리브덴(Mo)·규소(Si) 기반의 생분해 무기 전자소자를 통합해 100만 회 이상 반복 구동이 가능한 소프트 로봇 손가락과 다중 감각 전자 시스템을 구현했으며, 산업용 퇴비 환경에서 수개월 내 완전 분해된다는 사실을 실험으로 입증했다.

이번 연구는 로봇과 전자기기가 남기는 폐기물 문제에 대한 근본적 해법을 제시하며, ‘임무를 마친 뒤 쓰레기가 아닌 토양의 일부로 돌아가는 지능형 기계’라는 새로운 로봇 기술 패러다임을 제시했다는 평가를 받는다.

이번 연구성과는 3월 5일 국제 학술지 ‘네이처 서스테이너빌리티(Nature Sustainability)’에 게재됐다.

■ 연구 배경

전 세계적으로 로봇과 전자기기 보급 및 자동화 기술 도입이 가속화하면서, 전자폐기물(E-waste) 문제는 이미 기후·자원 문제만큼 심각한 환경 이슈로 부상했다. 유엔 산하의 조사기관 유엔훈련연구기구(UNITAR)에 따르면, 2022년 기준 약 6,200만 톤에 달한 전 세계 전자폐기물의 상당수는 적절히 회수·재활용되지 못한 채 매립 또는 소각되고 있다.

특히 소프트 로봇은 의료용 보조기기, 농업 자동화, 환경 모니터링, 재난 대응 등 활용 범위가 빠르게 확대되고 있으나, 대부분 실리콘 고무, 비분해성 플라스틱, 금속·반도체 기반 전자소자로 구성돼 사용 후 환경에 장기간 잔존한다.

그리고 기존의 소프트 로봇과 로봇용 전자 시스템은 열경화성 고분자 엘라스토머*, 합금 및 외인성 반도체 등 복합 소재가 다층박막 형태로 결합된 복잡한 구조로 이뤄져 있다. 따라서 수명이 다한 후 재활용이 사실상 불가능하고 자연 분해도 되지 않는 ‘지속 불가능한 기술’이자 전자폐기물을 증가시키는 요인으로 지적돼 왔다.
* 엘라스토머(Elastomer): 고무(Eraser)와 고분자(Polymer)의 합성어로, 고무처럼 탄성이 뛰어나 외력을 가해 잡아당기면 크게 늘어났다가 힘을 제거하면 원래의 상태로 되돌아가는 성질을 가진 고분자 재료

그동안 일부 생분해 로봇 연구가 보고된 바 있으나, 구동 성능과 내구성이 낮거나 전자소자가 부분적으로만 분해되는 한계가 있었다. 분해 부산물이 생태계에 미치는 영향이 충분히 검증되지 않았다는 점도 문제였다. 이에 따라 고성능 구동, 고집적 전자 기능, 완전 생분해성, 생태계 안전성을 동시에 만족하는 차세대 소프트 로봇 플랫폼 개발이 필수적 과제로 대두됐다.

■ 연구 성과

이에 서울대 강승균 교수팀은 물이 없는 생분해 엘라스토머(PGS)를 로봇 프레임 소재로 적용해, 낮은 히스테리시스(hysteresis)*와 우수한 복원력을 갖춘 소프트 액추에이터를 구현하는 데 성공했다. 아울러 하기의 세 가지 목표를 달성함으로써 생분해 소프트 로봇 전자 시스템의 성능·내구성·환경 안전성을 세계 최초로 종합 검증했다.
* 히스테리시스(Hysteresis): 물질에 힘을 가했다가 뺐을 때, 원래 상태로 돌아가는 과정이 변형될 때의 경로와 일치하지 않고 차이가 생기는 ‘응답 지연 현상’

○ 초고내구 구동 성능: PGS 기반 굽힘 액추에이터는 100만 회 반복 구동 후에도 굽힘 각도와 출력 힘의 변화가 거의 없으며, 장기간 보관 이후에도 안정적인 성능을 유지했다.

○ 고집적 생분해 전자 시스템 구현: Mg, Mo, Si로 구성된 생분해 무기 전자소자*를 활용해 곡률·변형·촉각·온도·습도·pH 센서와 히터, 전기 자극기, 약물 방출 소자를 하나의 소프트 로봇 손가락에 집적했다.
* 무기 전자소자: 실리콘(Si), 마그네슘(Mg) 등 금속이나 광물 유래 원소를 기반으로 만든 전자 부품

○ 완전 퇴비화 및 생태계 안전성 검증: 로봇 전체를 산업용 퇴비 조건에서 처리한 결과, 수개월 내에 구조체와 전자소자가 모두 분해됐으며, 해당 퇴비에서의 정상적인 식물 생장을 확인함으로써 환경 독성이 없음을 입증했다.

■ 기대 효과

로봇과 전자기기의 전 생애주기를 고려한 ‘완전 생분해·퇴비화 소프트 로봇 전자 시스템’을 구현한 이번 연구는 지속가능 로봇공학의 새로운 방향성을 제시했다는 평가를 받고 있다. 환경에 부담을 주지 않는 해당 시스템은 회수·재활용이 어려운 의료용 일회성 로봇, 농업·환경 모니터링 로봇, 원격·장기 배치 탐사 로봇 등에 널리 적용될 것으로 기대된다.

또한 고성능 무기 반도체를 포함하면서도 완전 분해가 가능하다는 점에서, 향후 생분해 논리회로·제어 시스템·지능형 로봇 플랫폼으로 적용 범위가 확장될 가능성도 크다. 고성능, 완전 생분해, 생태계 무독성을 동시에 달성한 이 플랫폼은 앞으로 친환경 로봇·전자 산업 전환의 핵심 기술로 자리매김할 전망이다.

■ 연구진 의견

강승균 서울대 재료공학부 교수는 “이번 연구를 통해 생분해 소재의 한계를 극복해 실제 활용 가능한 수준의 고내구 소프트 로봇과 전자 시스템을 구현했으며, 지속가능 로봇 기술의 새로운 기준을 제시하는 성과를 거뒀다”고 밝혔다.

■ 연구진 진로

논문의 주저자인 김경섭 박사후연구원은 본교에서 박사학위 취득 후, 현재 로잔 연방공과대학교(EPFL) 환경공학부에서 박사후연구원으로 재직 중이다. 공동 1저자인 심준석 박사후연구원은 본교에서 박사학위를 취득한 뒤, 현재 서울대학교 재료공학부에서 박사후연구원으로 근무하고 있다. 다른 공동 1저자인 김성우 석박통합과정생은 생분해성 기능성 고분자를 주제로 한 연구로 본교에서 박사학위를 취득할 예정이다.

▲ 그림 1. 완전 퇴비화 가능한 소프트 로봇 시스템


▲ 그림 2. 줄 가열을 이용한 가지치기 (왼쪽)와 식물 치료를 위한 약물전달 시스템 (가운데, 오른쪽)


▲ 그림 3. 소프트 로봇 손가락의 생분해 과정

[참고자료]

- 출처: Kim, Kyung-Sub, Shim, Jun-Seok, Kim, Sung-Woo et al., Biodegradable yet hyperdurable robotic fingers for zero-waste soft electronics. Nature Sustainability (2026), Early View.

- DOI: https://doi.org/10.1038/s41893-026-01780-4
- 연구소개 영상: https://youtu.be/AFVIGgntKm8?si=t6gc0rbqwgoCnCQu

[문의]
서울대학교 공과대학 재료공학부 강승균 교수 / 02-880-7162 / kskg7227@snu.ac.kr