세계 최소 자율 마이크로로봇: 수개월 작동하는 200µm 수영 로봇

로보틱스 & 자동화 인사이더

미국 1센트 동전 위에 놓인 마이크로로봇, 크기 비교. (이미지: Michael Simari, 미시간 대학교)

펜실베이니아 대학교와 미시간 대학교 연구진이 세계에서 가장 작은 완전 프로그래밍 가능 자율 로봇을 개발했습니다. 육안으로 겨우 보일 정도로 미세한 이 수영 로봇은 각각 약 200×300×50 마이크로미터 크기로 소금 알갱이보다 작습니다. 생물학적 미생물 크기에서 작동하는 이 로봇들은 개별 세포 건강 모니터링을 통해 의학을 발전시키고, 마이크로스케일 장치 구축을 지원하여 제조 분야에 기여할 수 있습니다.

빛으로 구동되는 이 로봇들은 마이크로 컴퓨터를 탑재하여 복잡한 패턴으로 이동하고, 지역 온도를 감지하며, 이에 따라 경로를 조정할 수 있도록 프로그래밍 가능합니다.

Science Robotics와 미국립과학원회보(PNAS)에 발표된 이 로봇들은 외부 제어 없이 테더, 자기장, 조이스틱 같은 외부 제어 없이 작동하여 이 규모에서 최초의 진정한 자율 프로그래밍 가능 로봇이 되었습니다.

수십 년간 전자 소자는 점점 작아졌지만 로봇은 보조를 맞추기 어려웠습니다. "1밀리미터 이하 크기에서 독립적으로 작동하는 로봇을 만드는 것은 엄청나게 어렵습니다."라고 Miskin 교수는 말합니다. "이 분야는 40년 동안 이 문제에 발목이 잡혀 있었습니다."

인간 세계를 지배하는 중력과 관성 같은 힘은 부피에 의존합니다. 하지만 세포 크기로 작아지면 표면적과 관련된 항력과 점성이 지배적입니다. "충분히 작아지면 물을 밀고 나아가는 것이 타르 속을 헤치는 것과 같습니다."라고 Miskin은 설명합니다. 즉, 마이크로스케일에서는 팔다리 같은 기존 로봇 이동 전략이 거의 통하지 않습니다. "아주 작은 팔다리는 쉽게 부러지고 만들기도 매우 어렵습니다." 따라서 연구팀은 미시 세계의 독특한 운동 물리학에 맞서지 않고 활용하는 완전히 새로운 추진 시스템을 설계해야 했습니다.

물고기 같은 대형 수생 생물은 뒤로 물을 밀어내며 이동합니다. 뉴턴의 제3법칙에 따라 물이 동등하고 반대 방향의 힘을 가해 앞으로 나아갑니다. 반면 이 새로운 로봇들은 몸을 구부리지 않고 주변 용액의 이온을 밀어내는 전기장을 생성합니다. 이 이온들이 다시 근처 물 분자들을 밀어내며 로봇 몸체 주변의 물을 움직이게 만듭니다. "마치 로봇이 흐르는 강 속에 있는 것과 같지만, 로봇 자체가 강을 흐르게 만드는 셈입니다."라고 Miskin은 비유합니다.

로봇들은 이 효과를 일으키는 전기장을 조절하여 복잡한 패턴으로 이동하거나 물고기 떼처럼 협조된 그룹으로 초당 최대 한 몸체 길이의 속도로 이동할 수 있습니다.

전극에 움직이는 부품이 없어 로봇은 극도로 내구성이 뛰어납니다. "이 로봇들을 마이크로피펫으로 반복적으로 샘플 간에 옮길 때도 손상되지 않습니다."라고 Miskin은 말합니다. LED 빛으로 충전되어 수개월 동안 지속적으로 수영할 수 있습니다.

진정한 자율성을 위해 로봇은 결정을 내리는 컴퓨터, 주변을 감지하고 추진을 제어하는 전자장치, 모든 것을 구동하는 초소형 태양광 패널이 필요하며, 이 모든 것이 1밀리미터의 일부분에 불과한 칩에 들어가야 합니다. 여기서 미시간 대학교 David Blaauw 교수팀이 나섰습니다.

Blaauw 교수의 연구실은 세계 최소 컴퓨터 기록을 보유하고 있습니다. 5년 전 DARPA 주최 프레젠테이션에서 Miskin과 Blaauw가 처음 만났을 때, 두 사람은 즉시 자신들의 기술이 완벽한 짝임을 깨달았습니다. "펜 공대의 추진 시스템과 우리의 초소형 전자 컴퓨터가 서로를 위해 만들어졌다는 것을 알았습니다."라고 Blaauw는 회상합니다. 그래도 양측이 5년간의 노력 끝에 첫 작동 로봇을 완성했습니다.

"전자장치의 핵심 과제는 태양광 패널이 매우 작아 75나노와트만 생산한다는 점입니다."라고 Blaauw는 설명합니다. "이는 스마트워치 소비 전력의 10만 분의 1도 안 됩니다." 이렇게 적은 전력으로 로봇의 컴퓨터를 구동하기 위해 미시간 팀은 극저전압에서 작동하며 컴퓨터 전력 소모를 1000배 이상 줄이는 특수 회로를 개발했습니다.

여전히 태양광 패널이 로봇의 대부분 공간을 차지합니다. 따라서 남은 적은 공간에 프로세서와 프로그램을 저장할 메모리를 넣는 것이 두 번째 과제였습니다. "컴퓨터 프로그램 명령어를 완전히 재고해야 했습니다."라고 Blaauw는 말합니다. "추진 제어를 위해 관례적으로 많은 명령어가 필요했던 것을 단일 특수 명령어로 압축하여 프로그램 길이를 로봇의 작은 메모리 공간에 맞췄습니다."

이러한 혁신으로 실제로 생각할 수 있는 최초의 서브밀리미터 로봇이 탄생했습니다. 연구진의 지식으로는 프로세서, 메모리, 센서를 갖춘 진정한 컴퓨터를 이 정도 크기의 로봇에 탑재한 사례가 없습니다. 이 돌파구로 이 장치들은 스스로 감지하고 행동하는 최초의 현미경 로봇이 되었습니다.

로봇들은 섭씨 0.33도 이내의 정확도로 온도를 감지하는 전자 센서를 탑재했습니다. 이를 통해 온도가 상승하는 영역으로 이동하거나 온도를 보고할 수 있는데, 이는 세포 활동의 지표가 되어 개별 세포 건강 모니터링을 가능하게 합니다.

"온도 측정값을 보고하기 위해 측정된 값(예: 온도)을 로봇이 추는 작은 춤의 흔들림으로 인코딩하는 특수 컴퓨터 명령어를 설계했습니다."라고 Blaauw는 설명합니다. "현미경과 카메라로 이 춤을 관찰하고 흔들림을 해독해 로봇이 우리에게 무엇을 말하는지 알아냅니다. 꿀벌들이 서로 소통하는 방식과 매우 유사합니다."

로봇들은 전원을 공급하는 빛 펄스로 프로그래밍됩니다. 각 로봇은 고유 주소를 가져 연구자들이 서로 다른 프로그램을 각각 로드할 수 있습니다. "이것은 수많은 가능성을 엽니다."라고 Blaauw는 덧붙입니다. "각 로봇이 더 큰 공동 작업에서 잠재적으로 다른 역할을 수행할 수 있습니다."

향후 버전은 더 복잡한 프로그램을 저장하고, 더 빠르게 이동하며, 새로운 센서를 통합하거나 더 까다로운 환경에서 작동할 수 있을 것입니다. 본질적으로 현재 설계는 범용 플랫폼입니다: 추진 시스템은 전자장치와 원활하게 작동하고, 회로는 저렴하게 대량 제작 가능하며, 설계는 새로운 기능 추가를 허용합니다.

"이는 정말 첫 장에 불과합니다."라고 Miskin은 말합니다. "거의 보이지 않는 크기에 뇌, 센서, 모터를 넣고 수개월간 생존하고 작동하게 할 수 있음을 보였습니다. 이 기반이 갖춰지면 모든 종류의 지능과 기능을 쌓아 올릴 수 있습니다. 마이크로스케일 로보틱스의 완전히 새로운 미래를 여는 것입니다."

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