소금알보다 작은 세계 최소 자율 로봇 개발...세포 건강 모니터링 가능

펜실베이니아대·미시간대 연구진, 200마이크로미터 크기 미세로봇 개발

[한국정보기술신문] 미국 연구진이 세계에서 가장 작은 완전 프로그래밍 가능하고 자율적인 로봇을 개발했다. 소금 알갱이보다 작은 이 로봇은 독립적으로 주변 환경을 감지하고 반응할 수 있으며, 수개월 동안 작동이 가능하다.

펜실베이니아대학과 미시간대학 연구진이 공동 개발한 이 미세 로봇은 크기가 약 200×300×50마이크로미터에 불과하다. 육안으로는 거의 보이지 않는 크기지만, 온도를 감지하고 복잡한 패턴으로 이동하며 경로를 조정할 수 있다. 연구 결과는 사이언스 로보틱스와 미국국립과학원회보에 게재됐다.

40년 난제 해결한 새로운 추진 시스템

지난 40년간 로봇공학 분야는 1밀리미터 이하 크기의 독립 작동 로봇 개발에 어려움을 겪어왔다. 사람 크기의 세계를 지배하는 중력과 관성 같은 힘은 부피에 의존한다. 그러나 세포 크기까지 줄어들면 항력과 점성처럼 표면적에 연결된 힘이 지배적이 된다.

펜실베이니아대 전기시스템공학과 마크 미스킨 조교수는 "미세 규모에서는 물을 밀어내는 것이 타르를 밀어내는 것과 같다"며 "아주 작은 팔다리는 쉽게 부러지고 만들기도 매우 어렵다"고 설명했다. 연구진은 미세 영역의 독특한 물리학과 함께 작동하는 완전히 새로운 추진 시스템을 설계해야 했다.

새로운 로봇은 몸체를 굽히지 않는다. 대신 주변 용액의 이온을 움직이는 전기장을 생성한다. 이 이온들이 근처 물 분자를 밀어내어 로봇 주변의 물을 움직이게 한다. 미스킨 교수는 "마치 로봇이 흐르는 강 속에 있는 것 같지만, 동시에 로봇이 강을 흐르게 만든다"고 비유했다.

로봇은 전기장을 조정하여 복잡한 패턴으로 이동할 수 있으며, 물고기 떼처럼 조율된 그룹으로 이동할 수도 있다. 이동 속도는 초당 몸길이 1배에 달한다. 전기장을 생성하는 전극에는 움직이는 부품이 없어 로봇의 내구성이 매우 뛰어나다. LED 빛으로 충전되는 이 로봇은 몇 달 동안 계속 헤엄칠 수 있다.

세계 최소 컴퓨터로 자율성 확보

진정으로 자율적이려면 로봇에는 의사결정을 내릴 컴퓨터, 주변 환경을 감지하고 추진을 제어할 전자장치, 모든 것에 전력을 공급할 초소형 태양전지판이 필요하다. 이 모든 것이 밀리미터 미만 크기의 칩에 들어가야 한다.

미시간대 데이비드 블라우 교수 연구팀은 세계 최소 컴퓨터 기록을 보유하고 있다. 5년 전 국방고등연구계획국 행사에서 만난 미스킨과 블라우는 즉시 두 기술이 완벽하게 맞아떨어진다는 것을 깨달았다. 그러나 첫 작동 로봇을 만들기까지 5년간의 노력이 필요했다.

블라우 교수는 "전자장치의 핵심 과제는 태양전지판이 작아서 75나노와트의 전력만 생산한다는 것"이라며 "이는 스마트워치가 소비하는 전력보다 10만 배 이상 적다"고 설명했다. 연구팀은 극저전압에서 작동하는 특수 회로를 개발해 컴퓨터 전력 소비를 1000배 이상 줄였다.

태양전지판이 로봇 공간의 대부분을 차지하기 때문에, 연구팀은 남은 작은 공간에 프로세서와 프로그램 저장 메모리를 압축해야 했다. 블라우 교수는 "컴퓨터 프로그램 명령을 완전히 재구성해야 했다"며 "기존에는 추진 제어에 많은 명령이 필요했지만, 이를 단일 특수 명령으로 압축해 프로그램 길이를 줄여 로봇의 작은 메모리 공간에 맞췄다"고 밝혔다.

감지하고 기억하고 반응하는 로봇

이러한 혁신으로 실제로 생각할 수 있는 최초의 밀리미터 이하 로봇이 탄생했다. 연구진에 따르면 이전에는 이렇게 작은 로봇에 진정한 컴퓨터, 즉 프로세서와 메모리, 센서를 탑재한 사례가 없었다. 이 혁신으로 스스로 감지하고 행동할 수 있는 최초의 미세 로봇이 만들어졌다.

로봇에는 섭씨 0.3도 이내까지 온도를 감지할 수 있는 전자 센서가 있다. 이를 통해 로봇은 온도가 증가하는 영역으로 이동하거나 온도를 보고할 수 있다. 온도는 세포 활동의 대리 지표이므로, 개별 세포의 건강을 모니터링할 수 있게 된다.

블라우 교수는 "온도 측정값을 보고하기 위해 로봇이 수행하는 작은 춤의 흔들림에 측정 온도 같은 값을 인코딩하는 특수 컴퓨터 명령을 설계했다"며 "현미경으로 이 춤을 카메라로 보고 흔들림에서 로봇이 말하는 내용을 해독한다. 이는 꿀벌이 서로 의사소통하는 방식과 매우 유사하다"고 설명했다.

로봇은 전력을 공급하는 빛의 펄스로 프로그래밍된다. 각 로봇에는 고유한 주소가 있어 연구진이 각 로봇에 다른 프로그램을 로드할 수 있다. 블라우 교수는 "이는 다양한 가능성을 열어준다"며 "각 로봇이 더 크고 공동 작업에서 잠재적으로 다른 역할을 수행할 수 있다"고 덧붙였다.

미래 응용 가능성 무궁무진

미래 버전의 로봇은 더 복잡한 프로그램을 저장하고, 더 빠르게 이동하며, 새로운 센서를 통합하거나 더 어려운 환경에서 작동할 수 있을 것이다. 본질적으로 현재 설계는 일반적인 플랫폼이다. 추진 시스템은 전자장치와 원활하게 작동하고, 회로는 대규모로 저렴하게 제작할 수 있으며, 설계는 새로운 기능 추가를 허용한다.

미스킨 교수는 "이것은 정말 첫 장에 불과하다"며 "거의 보이지 않을 정도로 작은 것에 뇌와 센서, 모터를 넣고 몇 달 동안 생존하고 작동하게 할 수 있다는 것을 보여줬다. 그 토대가 마련되면 온갖 종류의 지능과 기능을 쌓을 수 있다. 미세 규모에서 로봇공학의 완전히 새로운 미래로 가는 문을 연다"고 전망했다.

이번 연구는 의학 분야에서 개별 세포의 건강 모니터링과 제조 분야에서 미세 장치 제작을 발전시킬 수 있을 것으로 기대된다. 개당 제조 비용이 1센트에 불과해 대량 생산도 가능하다. 연구진은 이 기술이 나노의학과 마이크로제조 분야에 혁신을 가져올 것으로 보고 있다.

한국정보기술신문 정보통신분과 송유찬 기자 news@kitpa.org