세계에서 가장 작은 자율 마이크로로봇:몇 달 동안 작동하는 200μm 수영 선수

로봇공학 및 자동화 내부자

규모를 보여주는 미국 동전 위의 마이크로 로봇. (이미지:Michael Simari, 미시간 대학교)

펜실베니아 대학과 미시간 대학의 연구원들은 세계에서 가장 작은 완전히 프로그래밍 가능한 자율 로봇을 만들었습니다. 주변 환경을 독립적으로 감지하고 반응할 수 있는 미세한 수영 기계는 몇 달 동안 작동하며 비용은 단 1페니입니다. 육안으로는 거의 보이지 않는 각 로봇의 크기는 소금 한 알보다 작은 약 200 x 300 x 50 마이크로미터입니다. 많은 생물학적 미생물 규모에서 작동하는 로봇은 개별 세포의 상태를 모니터링하고 제조하며 마이크로 규모의 장치를 만드는 데 도움을 줌으로써 의학을 발전시킬 수 있습니다.

빛으로 구동되는 로봇은 미세한 컴퓨터를 가지고 있으며 복잡한 패턴으로 움직이고 지역 온도를 감지하고 그에 따라 경로를 조정하도록 프로그래밍할 수 있습니다.

미국국립과학원(PNAS)의 과학 로봇공학 및 논문집에 설명되어 있습니다. , 로봇은 밧줄, 자기장 또는 조이스틱과 같은 외부 제어 없이 작동하므로 이 규모의 최초의 진정한 자율형 프로그래밍 가능 로봇이 되었습니다.

수십 년 동안 전자 제품은 점점 더 작아졌지만 로봇은 이를 따라잡기 위해 애쓰고 있습니다. Miskin은 "1mm 미만의 크기에서 독립적으로 작동하는 로봇을 만드는 것은 엄청나게 어렵습니다."라고 말했습니다. "현장에서는 본질적으로 40년 동안 이 문제에 매달렸습니다."

중력이나 관성과 같이 인간 세계를 지배하는 힘은 부피에 따라 달라집니다. 그러나 세포 크기로 줄어들면 항력이나 점성과 같은 표면적과 관련된 힘이 대신하게 됩니다. "당신이 충분히 작다면 물을 밀어내는 것은 타르를 밀어내는 것과 같습니다"라고 Miskin은 말했습니다. 즉, 미시적으로 팔다리와 같은 더 큰 로봇을 움직이는 전략은 거의 성공하지 못합니다. Miskin은 “아주 작은 다리와 팔은 부러지기 쉽습니다.”라고 말합니다. "그들은 또한 만들기가 매우 어렵습니다." 따라서 팀은 미시적 영역에서 운동의 독특한 물리학에 반대하는 것이 아니라 함께 작동하는 완전히 새로운 추진 시스템을 설계해야 했습니다.

물고기와 같은 대형 수생 생물은 물을 뒤로 밀어서 움직입니다. 뉴턴의 제3법칙 덕분에 물은 물고기에게 동일하고 반대되는 힘을 가하여 물고기를 앞으로 나아가게 합니다. 대조적으로 새로운 로봇은 몸을 전혀 구부리지 않습니다. 오히려 주변 용액의 이온을 밀어내는 전기장을 생성합니다. 그 이온은 차례로 근처의 물 분자를 밀어 로봇 몸 주위의 물에 활력을 불어넣습니다. Miskin은 "로봇이 움직이는 강에 있는 것과 같지만 로봇이 강을 움직이게 하는 것이기도 합니다"라고 말합니다.

로봇은 효과를 일으키는 전기장을 조정할 수 있어 복잡한 패턴으로 움직일 수 있으며 물고기 떼처럼 초당 최대 몸 길이만큼의 속도로 조직된 그룹으로 이동할 수도 있습니다.

그리고 자기장을 생성하는 전극에는 움직이는 부품이 없기 때문에 로봇의 내구성이 매우 뛰어납니다. Miskin은 “마이크로피펫을 사용하면 로봇을 손상시키지 않고 한 샘플에서 다른 샘플로 반복적으로 이동할 수 있습니다.”라고 말합니다. LED 빛으로 충전된 로봇은 몇 달 동안 계속 수영할 수 있습니다.

로봇이 진정한 자율성을 가지려면 결정을 내리는 컴퓨터, 주변을 감지하고 추진력을 제어하는 전자 장치, 모든 것에 전력을 공급하는 작은 태양 전지판, 그리고 1밀리미터도 안 되는 크기의 칩에 들어가는 모든 것이 필요합니다. 이것이 바로 미시간 대학의 David Blaauw 팀이 활동에 나섰던 곳입니다.

Blaauw의 연구실은 세계에서 가장 작은 컴퓨터에 대한 기록을 보유하고 있습니다. Miskin과 Blaauw는 5년 전 DARPA(국방고등연구계획국)가 주최한 프레젠테이션에서 처음 만났을 때 두 사람은 그들의 기술이 완벽하게 일치한다는 것을 즉시 깨달았습니다. Blaauw는 "우리는 Penn Engineering의 추진 시스템과 우리의 작은 전자 컴퓨터가 서로를 위해 만들어졌다는 것을 알았습니다."라고 말했습니다. 그럼에도 불구하고 최초의 작동하는 로봇을 제공하기까지는 양측 모두 5년의 노력이 필요했습니다.

Blaauw는 "전자제품의 주요 과제는 태양광 패널이 작고 75나노와트의 전력만 생산한다는 점입니다. 이는 스마트 시계가 소비하는 전력보다 100,000배 이상 적은 전력입니다."라고 말했습니다. 그렇게 적은 전력으로 로봇의 컴퓨터를 작동시키기 위해 미시간 팀은 극도로 낮은 전압에서 작동하고 컴퓨터의 전력 소비를 1000배 이상 낮추는 특수 회로를 개발했습니다.

그럼에도 불구하고 태양전지판은 로봇 공간의 대부분을 차지합니다. 따라서 두 번째 과제는 남은 작은 공간에 프로그램을 저장하기 위해 프로세서와 메모리를 밀어넣는 것이었습니다. Blaauw는 "우리는 컴퓨터 프로그램 명령을 완전히 다시 생각해야 했습니다"라고 Blaauw는 말했습니다. "기존에 추진 제어를 위해 많은 명령이 필요했던 것을 하나의 특수 명령으로 압축하여 로봇의 작은 메모리 공간에 맞도록 프로그램 길이를 줄였습니다."

이러한 혁신을 통해 가능해진 것은 실제로 생각할 수 있는 최초의 서브밀리미터 로봇입니다. 연구원들이 아는 바에 따르면, 이전에는 프로세서, 메모리, 센서 등 실제 컴퓨터를 이렇게 작은 로봇에 넣은 사람은 아무도 없었습니다. 이러한 획기적인 발전으로 이 장치는 스스로 감지하고 행동할 수 있는 최초의 미세한 로봇이 되었습니다.

로봇에는 섭씨 1/3도 이내의 온도를 감지할 수 있는 전자 센서가 있습니다. 이를 통해 로봇은 온도가 상승하는 영역으로 이동하거나 세포 활동의 프록시인 온도를 보고하여 개별 세포의 상태를 모니터링할 수 있습니다.

"온도 측정값을 보고하기 위해 우리는 로봇이 수행하는 작은 춤의 흔들림으로 측정된 온도와 같은 값을 인코딩하는 특수 컴퓨터 명령을 설계했습니다."라고 Blaauw는 말합니다. "그런 다음 우리는 카메라가 장착된 현미경을 통해 이 춤을 관찰하고 로봇이 우리에게 말하는 것을 흔들리는 소리로부터 해독합니다. 이는 꿀벌이 서로 의사소통하는 방식과 매우 유사합니다."

로봇은 로봇에 전원을 공급하는 빛의 펄스로 프로그래밍됩니다. 각 로봇에는 연구원이 각각의 로봇에 서로 다른 프로그램을 로드할 수 있는 고유한 주소가 있습니다. Blaauw는 "이것은 잠재적으로 더 큰 공동 작업에서 각 로봇이 서로 다른 역할을 수행할 수 있는 다양한 가능성을 열어줍니다."라고 덧붙였습니다.

미래 버전의 로봇은 더 복잡한 프로그램을 저장하고, 더 빠르게 움직이고, 새로운 센서를 통합하거나 더 까다로운 환경에서 작동할 수 있습니다. 본질적으로 현재 설계는 일반적인 플랫폼입니다. 추진 시스템은 전자 장치와 원활하게 작동하고, 회로는 대규모로 저렴하게 제작할 수 있으며, 설계를 통해 새로운 기능을 추가할 수 있습니다.

Miskin은 "이것은 실제로 첫 번째 장에 불과합니다."라고 말했습니다. "우리는 너무 작아서 볼 수 없는 것에 두뇌, 센서, 모터를 넣어서 몇 달 동안 생존하고 작동할 수 있다는 것을 보여주었습니다. 일단 이러한 기반을 갖추면 모든 종류의 지능과 기능을 추가할 수 있습니다. 이는 마이크로 규모의 로봇 공학에 대한 완전히 새로운 미래의 문을 열어줍니다."

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