미국 코넬대학교 연구진이 주위 환경의 화학적 조성 및 온도 변화를 감지해 빠르게 형태를 바꿀 수 있는 로봇 외골격을 제작하는데 성공했다. 코넬 크로니컬의 기자 톰 플라이시만에 의하면, “그들은 이 나노 규모의 기계가 미생물학 분야에서 강력한 로봇 플랫폼으로 기능할 수 있을 것”이라고 주장했다.
나노 규모의 종이 로봇
연구진은 원자 규모로 얇은 종이를 접어서 세포 크기의 종이 기계를 개발했다. 그 중심에는 그래핀과 한 겹의 유리 나노층으로 이루어진 구동기가 있다.
종이접기 방식의 제작법은 몇 가지 이유에서 로봇의 소형화에 적합한 수단이다. 보다 얇은 접이식 소재는 더 유연한 사용이 가능한 더 작은 장치의 제작으로 이어진다. 그러나 이와 동시에 로봇의 기능에 핵심적인 전도성, 단단함, 유연함을 유지할 수 있어야 한다.
이번 연구에서는 2D 원자 막을 접이식 소재로 활용함으로써 종이접기식 제작법을 한 단계 더 발전시켰다. 시제품 제작 과정에서 연구진은 그래핀 시트를 나노미터 두께의 유리에 부착해 매우 얇은 바이모프 구동기를 만들었다. 이 구동기는 작은 압력 차이만이 존재하는 경우에도 수 마이크로미터(nm) 반지름의 곡선 형태로 휘어진다.
작용하는 압력이 장치의 파괴 한도보다 매우 작기 때문에 구조 전체의 전도성이 유지된다. 바이모프 위에 두 개의 마이크로미터 두께 패널을 새김으로써 그 이외 부분만이 휘어지도록 할 수 있고, 이에 따라 구조가 접히도록 만들 수 있다. 그래핀 바이모프는 매우 얇음에도 불구하고 패널을 들어 올릴 수 있다. 한편, 고정된 패널의 무게는 500nm 두께의 실리콘 칩과 유사하다.
연구진 중 한 명인 이타이 코헨은 “인간의 세포 하나 크기의 장치에 보이저 우주선 수준의 계산 능력을 부여할 수 있다”고 언급했다. 그러나 코헨은 이를 어디에 활용할 수 있을지에 의문을 제기했다.
한편, 동료 연구원이자 물리 과학부의 존 A. 뉴먼 교수이며, 코넬의 카발리 나노 과학 연구소 소장이기도 한 폴 맥에우엔이 코헨의 의문에 답했다. 맥에우엔은 “많은 양의 정보를 처리할 수 있는 소형 컴퓨터 칩을 제작할 수는 있지만, 물체를 움직이거나 구조를 휘게 하는 능력을 가지고 있지 않다는 점이 문제”라고 언급했다.
바이모프
연구원들이 개발한 이 실험적인 로봇은 바이모프라는 모터를 사용해 움직임에 필요한 추진력을 얻는다. 바이모프는 기본적으로 그래핀과 유리와 같이 열, 전압 인가, 화학 반응 등의 물리적 요인에 따라 휘어지는 두 종류의 소재를 합친 구조다. 예를 들어, 열에 대해 서로 다른 반응을 보이는 소재가 결합된 구조에 열을 가할 경우 두 물질이 다르게 팽창하기 때문에 형태가 변화한다.
서로 다른 열 응답 계수로부터 발생하는 압력을 해소하기 위해 바이모프는 휘어지고, 이는 한 층이 다른 층보다 더 길게 늘어나는 결과로 이어진다. 경직된 편평한 패널을 도입함으로써 휘어짐이 특정 영역에서만 발생하도록 할 수 있고, 이에 따라 구조가 접히게 된다. 이러한 방식으로 삼각 피라미드나 정육면체 등 다양한 형태의 접이식 구조를 만들 수 있다.
유리와 그래핀으로 만들어진 바이모프는 유리에 다량의 큰 이온을 주입해 팽창시키는 화학적 자극에 의해서도 접힌다. 일반적으로 이러한 화학적 반응은 이온 용액이나 평범한 물에 담갔을 때 유리의 표면에서 일어난다. 바이모프는 매우 얇기 때문에 유리의 반응성 역시 매우 높다.
바이모프를 만들기 위해 연구진은 원자층 증착(Atomic Layer Deposition)으로 알려진 기법을 사용해 원자 두께의 이산화 실리콘을 커버슬립 위의 알루미늄 위에 화학적 방법으로 칠했다. 그 후 해당 층 위에 원자 한 겹의 그래핀을 습식 기법으로 올려서 비교할 수 없을 정도로 얇은 바이모프를 만들어냈다.
연구진이 사용한 한 기계의 크기는 적혈구의 세 배 밖에 되지 않는 것으로 알려져 있다. 접혔을 경우에는 대형 신경 세포보다 한참 작은 크기다. 이전에도 비슷한 크기의 접이식 틀이 제작된 적은 있지만, 연구진은 발명품이 반도체의 제작과 호환가능하다는 분명한 장점이 있다고 주장했다. 코헨은 이 기계들이 나노 규모의 로봇 공학에 대한 연구자의 비전에도 적합하다고 추가로 언급했다.
그래핀은 비교적 튼튼하기 때문에 전자 회로에 응용하는데 있어서 일반적으로 가해지는 부하를 감당할 수 있다. 수석 연구원 마크 미스킨의 설명에 의하면, 전자 부품 외골격을 제작하려면 바이모프가 전자 부품을 지탱할 수 있을 만큼의 힘을 발생해야 한다.
현재 이 로봇들은 실용적인 부문에 쓰이고 있지 않다. 그러나 멕에우엔은 이번 연구가 나노 규모 로봇 공학을 한 단계 진전시켰다고 평가했다.
이번 연구 결과는 전미 과학 아카데미 프로시딩에 출판되었다. 위에서 언급된 인원 외의 연구진으로는 새뮤얼 B. 애커트, 공학 교수 데이비드 멀러, 그리고 박사 과정 학생들인 카일 도르세이, 바리스 비르칸, 이모 한이 있다.
이번 연구는 코넬대학교의 카발리 연구소, 국립과학재단, 코넬 소재 연구센터, 그리고 미 공군 과학연구부서의 지원을 받아 코넬대학교의 나노과학 및 기술연구소에서 이루어졌다.
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