혁신적인 나노스케일 폴더블 로봇: 형상기억 액추에이터 활용

완전히 기능하는 나노 크기 로봇에는 전자 회로, 광전지, 센서, 안테나가 필요합니다. 하지만 로봇이 움직이려면 구부릴 수 있어야 합니다. 연구자들은 원자 수준의 얇은 2차원 물질이 스스로 3차원 구조로 접히게 하는 미크론 크기 형상기억 액추에이터를 만들었습니다. 필요한 건 전압을 잠깐 가하는 것뿐입니다. 한번 구부러지면 전압을 제거해도 모양을 유지합니다.

[그림 1]은 액추에이터 구조를 보여줍니다.

수백만 개의 현미경 로봇이 웨이퍼에서 방출되어 스스로 모양을 접고, 기어 나와 작업을 수행하고, 더 복잡한 구조로 조립되는 상상을 해보세요. 로봇의 형상기억 액추에이터는 전압으로 구동되고 구부러진 모양을 유지합니다.

액추에이터는 1마이크론보다 작은 곡률 반경으로 구부러질 수 있습니다. 전압 구동 액추에이터 중 최고 곡률로, 차원이 다릅니다. 이 유연성은 현미경 로봇 제조의 기본 원칙 중 하나인 로봇 크기가 다양한 부속품을 얼마나 작게 접을 수 있는지에 의해 결정되기 때문에 중요합니다. 구부림이 타이트할수록 접힘이 작아지고, 각 기계의 풋프린트가 더 작아집니다. 로봇이 이 구부림을 유지할 수 있다는 것도 중요합니다. 이는 전력 소비를 최소화하는데, 현미경 로봇과 기계에 특히 유리한 특징입니다.

장치는 백금 나노미터 얇은 층에 티타늄 또는 이산화티타늄 필름을 캡핑한 것으로 구성됩니다. 여러 개의 단단한 이산화규소 유리 패널이 그 위에 있습니다. 액추에이터에 양전압을 가하면 산소 원자가 백금으로 들어가 백금 원자와 자리를 바꿉니다. 이 과정은 산화라고 하며, 불활성 유리 패널 사이의 이음새에서 백금이 한쪽으로 팽창하여 구조를 미리 지정된 모양으로 구부립니다. 기계는 전압이 제거된 후에도 모양을 유지할 수 있습니다. 내장된 산소 원자가 뭉쳐 장벽을 형성하여 확산되는 것을 방지하기 때문입니다.

장치에 음전압을 가하면 연구자들은 산소 원자를 제거하고 백금을 순식간에 원래 상태로 복원할 수 있습니다. 유리 패널의 패턴을 바꾸고 백금이 위나 아래에 노출되게 함으로써 산과 계곡 접힘으로 작동되는 다양한 오리가미 구조를 만들 수 있습니다.

작은 층은 약 30원자 두께로, 100,000원자 두께일 수 있는 종이와 비교됩니다. 기계는 100밀리초 내에 스스로 접힙니다. 수천 번 평평하게 펴고 다시 접을 수도 있습니다. 생명을 불어넣는 데 단 1볼트만 필요합니다.

팀은 현재 형상기억 액추에이터를 회로와 통합하여 접히는 다리가 있는 걷는 로봇과 파동치며 앞으로 나아가는 시트형 로봇을 만들기 위해 노력하고 있습니다. 이러한 혁신은 언젠가 인간 조직에서 박테리아 감염을 청소하는 나노로봇, 제조업을 변화시키는 마이크로 팩토리, 현재 장치보다 10배 더 작은 로봇 수술 도구로 이어질 수 있습니다.