3D프린터로 만들어낸 개미 크기의 초소형 진동 로봇

조지아 공과 대학의 한 연구팀들이 개미 만한 크기의 배터리 없이 움직일 수 있는 초소형 로봇을 개발했습니다. 베터리가 없어도 진동 주파수에 따라 움직이는 방식인데요. 연구원들은 압전식 액츄에이터, 초음파 또는 작은 스피커의 진동을 이용하여 움직이는 새로운 유형의 소형 3D 프린팅 로봇을 만들었습니다. 이러한 마이크로 섬모 로봇들은 환경 변화를 감지하고 재료를 옮기거나 인체 내부의 손상을 치료하기 위해 개별 로봇 또는 집단 로봇의 형태로 작동할 수 있습니다.

 

이 연구에서 만들어진 프로토타입 로봇은 개별 구성에 따라 서로 다른 진동 주파수에 반응하므로 연구원이 진동을 조정하여 개별 로봇들을 제어 할 수 있습니다. 세계에서 가장 작은 개미 크기만한 약 2mm 길이의 이 로봇은 작은 크기라는 물리적인 한계에도 불구하고 1초 동안 자신의 4배의 거리를 움직일 수 있습니다. 연구원 중에 한명인 조지아 공과 대학 전기 컴퓨터 공학부 조교수인 아자데 안사리는 이 기술을 더욱 확고하게 만들기 위해 노력하고 있으며 많은 잠재적 응용 분야를 염두에 두고 있다고 했는데요. 이번 연구를 통해 기계, 전자, 생물학 및 물리학의 교차점에서 다원적인 개념을 포괄하는 연구라고 언급했습니다.

 

특히, 이 마이크로 초소형 진동 로봇에 대한 논문이 마이크로 기계학 저널에 게재되었는데요. 이 연구는 조지아 공대의 전자 나노 기술 연구소의 지원금에 의해 연구가 지속되었습니다. 이 연구팀은 안사리 외에도 일본인인 우에다 준, 기계공학부 조지 W.우드러프스쿨 교수와 자랑스럽게도 한국인 대학원생 김대규 님,그리고 중국인인 지잔 하오로 구성되어 있습니다.

 

이 마이크로 초소형 진동 로봇이 움직이는 원리는 다음과 같습니다. 이 로봇은 2개의 포톤 중합 석판(TPP)을 사용하여 3D 프린팅된 폴리머 본체와 거기에 부착된 압전 액츄에이터로 구성됩니다. 압천 액츄에이터는 진동을 발생시키는데 사실상 이 마이크로 초소형 진동 로봇에 장착시킬 배터리가 없기 때문에 진동을 통해 전원을 공급받게 됩니다. 이 진동은 다양한 방향에서 발생시켜도 로봇을 구동시킬 수 있는데요. 로봇이 움직이는 표면 아래에 압전 셰이커나 초음파 또는 작은 스피커를 통해서도 진동을 발생시켜 로봇을 작동시킬 수 있습니다.

 

이러한 다양한 방법으로 생성된 진동은 로봇에 달린 스프링과 같은 탄력 있는 다리를 위 아래로 움직이게 해서 마이크로 초소형 진동 로봇을 앞으로 나아가게 합니다. 이 로봇의 다리 부분을 각각 개별화 시켜서 커스토 마이징을 하면 다리 크기와 직경, 디자인 및 전체적인 형태에 따라 서로 다른 진동 주파수에 반응하도록 설계할 수 있는데요. 진동의 진폭을 통해 마이크로 진동 로봇의 이동 속도를 제어할 수 있습니다. 이 로봇이 위 아래로 통통 튀듯이 움직이게 되면 거기에 달린 최적화된 다리들이 몸통의 수직 운동을 방향 운동으로 전환시키는데 이 마이크로 로봇들의 다리는 특정 각도로 설계되어 있기 때문에 진동에 반응하면서 한 방향으로 구부러지고 움직일 수 있도록 만들어졌습니다.

 

이 마이크로 초소형 진동 로봇은 모노머 수지 재료를 중성화하는 기술인 TPP 공정을 이용해서 3D 프린터로 만들 수 있습니다. 일단 자외선에 영향을 받은 수지 블록의 일부분이 화학적으로 변화하면 나머지는 원하는 로봇 구조를 남기고 씻겨 낼 수 있습니다. 현재는 재료의 남은 부분이 로봇의 형태가 되는 것이기 때문에 아직까지는 소량 생산만 가능하지만, 재료와 생산적인 부분에서 더욱 연구가 진행된다면 한 번에 수백 개 혹은 수천 개 까지도 마이크로 초소형 진동 로봇을 만들어 낼 수 있을 것입니다.

 

이 로봇들 중 일부는 다리가 4개인 반면, 다른 로봇들은 6개를 가지고 있습니다. 아직까지의 연구에서는 다리 갯수의 최적화와 이동 최적화를 위해 여러 가지 형태의 로봇들을 프로토타입으로 개발하여 연구 중이기 때문입니다. 지르코네이트 티타나이트(PZT)를 사용하는 압전 액츄에이터는 전기 전압이 인가될 때 진동을 하게 됩니다. 반대로 진동이 가해지면 외부 진동에 의해 작동하면서 이 마이크로 초소형 진동 로봇이 스스로 전원을 켜면서 작동하게 되는데 연구팀은 2개의 약간 다른 마이크로 초소형 진동 로봇을 함께 결합시킴으로써 로봇들의 조향 능력을 개발하기 위해 노력하고 있습니다. 각각 결합된 각 마이크로 초소형 진동 로봇들은 서로 다른 진동 주파수에 반응하기 때문에 주파수와 진폭을 변화시켜서 각각의 로봇들을 제어할 수 있습니다. 완벽하게 동작하는 1대가 성공적으로 만들어지게 되면 그다음부터는 아주 빠른 속도로 로봇 개발이 발전할 수 있는 것이죠.

 

이 연구팀은 추가적으로 자기장을 이용해 움직이는 또 다른 형태의 마이크로 로봇을 연구하고 있다고 합니다. 하지만 이러한 로봇들은 한번에 전체를 이동시키는데 유용하지만, 그 여러 무리 속에서 개별 로봇들을 다루기 위해서는 자력을 쉽게 사용할 수 없는 단점이 있습니다.

 

이 마이크로 초소형 진동 로봇은 길이 약 2mm, 폭 1.8mm, 두께 0.8mm로 무게는 약 5mg입니다. 3D 프린터로 더 작은 로봇을 만들수 있지만 직량이 줄어들면 작은 장치와 표면 사이의 접착력이 매우 커질 수 있기 때문에 이 정도의 크기에서 로봇을 만들었다고 합니다. 개미들의 집단 행동을 보고 개미들로부터 보고 배운 것들을 로봇에 적용하는 창의력과 응용력을 통해 앞으로 더욱더 많은 일들이 펼쳐질 수 있을 것 같습니다.