육안으로 거의 보이지 않는 이 새로운 로봇은 1페니(약 15센트) 정도의 가격으로 수영하고, 온도를 감지하며, 빛을 에너지원으로 사용하는 초소형 프로그램을 실행할 수 있습니다. 연구진은 이 1세대 로봇이 언젠가는 개별 세포를 모니터링하고 미세한 장치를 만드는 데 도움을 줄 수 있을 것이라고 말합니다.
먼지 한 알보다 조금 큰 크기에 동전보다도 저렴한 차세대 초소형 로봇은 스스로 헤엄치고, 주변 환경을 감지하고, 아주 작은 컴퓨터 프로그램을 실행할 수 있습니다.
펜실베이니아 대학교와 미시간 대학교의 연구진이 세계에서 가장 작은 완전 프로그래밍 가능 자율 로봇을 공개했다고 발표했습니다. 각각의 로봇은 크기가 약 0.2 x 0.3 x 0.05mm에 불과하며, 수많은 미생물의 크기와 비슷하여 육안으로 겨우 볼 수 있을 정도입니다.
크기는 작지만, 이 로봇들은 복잡한 패턴을 움직이고, 조직적으로 이동하며, 온도 변화를 감지하고 그에 맞춰 경로를 조정할 수 있습니다. 연구팀에 따르면, 이 로봇들은 빛으로 구동되고 제어되며, 물속에서 수개월 동안 작동할 수 있고, 제작 비용은 대당 약 1센트에 불과합니다.
펜실베이니아 대학교 전기 및 시스템 공학과 조교수이자 관련 연구 두 편의 수석 저자인 마크 미스킨은 이번 연구가 로봇 공학을 새로운 차원으로 끌어올렸다고 말했습니다.
그는 보도자료에서 "우리는 자율 로봇을 10,000만 배 더 작게 만들었다"며 "이는 프로그래밍 가능한 로봇에 완전히 새로운 가능성을 열어준다"고 말했다.
해당 로봇들은 두 편의 논문에 설명되어 있는데, 하나는 다음 논문에 있습니다. 과학 로봇 하나는 통합 컴퓨팅 및 센싱에 중점을 두고 있고, 다른 하나는 과학 국립 아카데미의 절차 그들이 어떻게 움직이는지 자세히 설명합니다.
미세 로봇은 오랫동안 과학자들의 목표였습니다. 과학자들은 인체 내부를 이동하고, 개별 세포를 관찰하거나, 미세 장치를 조립할 수 있는 아주 작은 기계를 상상해 왔습니다. 하지만 로봇을 축소하는 것은 컴퓨터 칩을 축소하는 것만큼 간단하지 않습니다. 극소규모에서는 항력과 점성 같은 힘이 지배적이어서 움직임이 매우 어렵습니다. 수십 년 동안 이러한 어려움이 로봇 개발의 진전을 더디게 해왔습니다.
미스킨 연구팀은 로봇이 미시적 차원에서 "수영"한다는 것이 무엇을 의미하는지 재고함으로써 움직임 문제를 해결했습니다. 프로펠러나 다리 같은 움직이는 부품에 의존하는 대신, 로봇은 주변의 물을 움직입니다.
이 정도 규모의 물에서는 저항이 너무 커서 마치 타르를 헤쳐나가려는 것과 같습니다. 연구팀의 추진 시스템은 전기장을 이용하여 이러한 문제를 해결합니다. 로봇은 전기장을 생성하여 주변 액체 속의 대전 입자, 즉 이온을 움직입니다. 이 이온들은 근처의 물 분자를 밀어내어 로봇을 앞으로 나아가게 할 만큼의 힘을 발생시킵니다. 그 결과, 움직이는 기계 부품이 없는 추진 시스템이 탄생했고, 덕분에 로봇은 내구성이 뛰어나 수개월 동안 물속에서 헤엄칠 수 있습니다.
한편, 전기 및 컴퓨터 공학 교수인 데이비드 블라우와 데니스 실베스터가 이끄는 미시간 연구팀은 초소형 컴퓨터의 한계를 뛰어넘어 극미량의 전력으로 감지 및 연산을 수행할 수 있는 기록적인 1mm 미만의 시스템을 구축해 왔습니다.
"펜실베이니아 공과대학의 추진 시스템과 저희의 소형 컴퓨터가 서로를 위해 만들어진 것 같다는 것을 알게 되었습니다."라고 사이언스 로보틱스 연구의 수석 저자인 블라우는 보도 자료에서 밝혔습니다.
블라우 연구팀은 각 로봇에 기능적인 "두뇌"를 탑재하기 위해 극심한 제약 조건 하에서 작업해야 했습니다. 로봇에 탑재된 컴퓨터는 약 75나노와트의 전력으로 작동하는데, 이는 스마트워치보다 약 100,000만 배나 적은 양입니다. 이처럼 적은 양의 전력이라도 얻기 위해 로봇 표면의 대부분을 태양광 패널로 덮었습니다.
제한된 전력과 메모리로 인해 연구원들은 로봇 소프트웨어의 작동 방식을 재설계해야 했습니다.
블라우는 "우리는 컴퓨터 프로그램 명령어를 완전히 재고해야 했습니다. 기존에는 추진 제어를 위해 여러 명령어가 필요했지만, 이제는 단 하나의 특별한 명령어로 압축하여 프로그램 길이를 줄여 로봇의 작은 메모리에 맞출 수 있도록 했습니다."라고 덧붙였습니다.
이 로봇들은 빛의 펄스를 이용해 프로그래밍되고 동력을 얻습니다. 각 로봇은 고유 식별자를 가지고 있어 연구자는 특정 패턴의 빛을 비춰 같은 물방울 안에서 각기 다른 로봇에게 서로 다른 지시를 내릴 수 있습니다. 원칙적으로 이는 로봇 무리가 작업을 분담하고 각 로봇이 특정 역할을 수행할 수 있음을 의미합니다.
사이언스 로보틱스(Science Robotics) 저널에 발표된 이번 연구에서 연구팀은 최초로 개발된 로봇들이 섭씨 0.3도만큼 미세한 온도 변화까지 감지할 수 있는 온도 센서를 탑재했다고 밝혔습니다. 실험실 테스트 결과, 이 로봇들은 따뜻한 곳으로 이동하거나 세포 활동을 대신하여 온도를 보고하는 기능을 보여주었습니다.
로봇은 정보를 전달하기 위해 움직이는 방식을 바꿉니다. 연구진은 이를 꿀벌이 의사소통에 사용하는 "꼬리 흔들기 춤"에 비유합니다. 로봇은 특정한 패턴으로 몸을 흔들어 감지한 것에 대한 간단한 메시지를 전달할 수 있습니다.
앞으로 이 연구팀은 다양한 잠재적 활용 가능성을 예상하고 있습니다. 의학 분야에서는 이러한 로봇들이 언젠가 개별 세포의 건강 상태를 모니터링하고, 조직이 약물에 어떻게 반응하는지 추적하거나, 매우 정밀하게 치료제를 전달하는 데 사용될 수 있을 것입니다. 제조 분야에서는 인간의 도구로는 다룰 수 없을 정도로 작은 미세 장치를 제작하거나 검사하는 데 도움을 줄 수 있을 것입니다.
향후 버전에서는 더욱 복잡한 프로그램을 저장하고, 더 빠른 속도로 움직이며, 추가 센서를 통합하거나 단순한 실험실 액체 환경을 넘어 더욱 까다로운 환경에서 작동할 수 있을 것입니다. 현재의 로봇들은 불과 몇 년 전만 해도 상상할 수 없었던 규모로 감지, 컴퓨팅 및 동작을 결합하는 것이 가능하다는 것을 이미 보여주고 있습니다.
미스킨은 “이것은 정말 첫 번째 장에 불과합니다.”라고 덧붙였습니다. “우리는 눈에 거의 보이지 않을 정도로 작은 크기에 두뇌, 센서, 모터를 넣고도 몇 달 동안 작동할 수 있다는 것을 보여줬습니다. 일단 그 기반이 마련되면 온갖 종류의 지능과 기능을 덧붙일 수 있습니다. 이는 초소형 로봇 공학의 완전히 새로운 미래를 여는 문을 열어줍니다.”
이 프로젝트는 펜실베이니아 대학교와 미시간 대학교의 로봇공학, 마이크로일렉트로닉스, 재료과학 분야 전문가들을 한데 모았으며, 미국 국립과학재단(NSF)을 비롯한 여러 기관 및 재단의 지원을 받았습니다. 펜실베이니아 대학교의 마야 래시터 대학원생과 미시간 대학교의 이정호 대학원생이 이 논문의 공동 제1저자로 이름을 올렸습니다.
현재로서는 이 로봇들은 정교하게 준비된 실험실 환경에서만 헤엄칠 수 있습니다. 하지만 연구진은 기술이 발전함에 따라 과학자와 엔지니어들이 미시 세계와 상호작용하는 방식이 완전히 바뀔 수 있다고 말합니다. 단순히 현미경으로 관찰하는 것을 넘어, 스스로 감지하고 생각하고 행동하는 초소형 기계를 투입할 수 있게 될 것이라는 설명입니다.
출처: 미시간 대학