키리가미 원리, 마이크로 로봇 디자인의 혁신을 주도하다

최근 몇 년 동안 이 분야에서 상당한 진전이 있었습니다. 마이크로스케일 로봇공학소형 로봇의 한계를 뛰어넘는 기술입니다. 이러한 발전은 의료 응용 분야부터 환경 모니터링에 이르기까지 다양한 분야에서 잠재적인 혁신을 가져올 길을 열었습니다. 이러한 혁신의 흐름 속에서 코넬 대학교 연구진은 명령에 따라 형태를 변형할 수 있는 초소형 로봇을 개발하며 주목할 만한 성과를 거두었습니다.

코넬대 물리학과 이타이 코헨 교수가 이끄는 연구팀은 1mm 미만의 작은 로봇을 개발했습니다. 이 로봇은 평평한 2차원 형태에서 다양한 3차원 형태로 변형될 수 있습니다. 이 개발 내용은 다음 논문에 자세히 설명되어 있습니다. 자연 재료, 마이크로 규모 로봇 시스템의 역량에 있어서 큰 진전을 나타냅니다.

로봇공학에서의 키리가미 기술의 응용

이 획기적인 기술의 핵심은 로봇 설계에 키리가미 원리를 혁신적으로 적용한 것입니다. 종이를 자르고 접는 방식의 오리지미 변형인 키리가미는 엔지니어들에게 정확하고 예측 가능한 방식으로 모양을 바꿀 수 있는 구조물을 만들도록 영감을 주었습니다.

이러한 마이크로스케일 로봇의 맥락에서 키리가미 기술은 소재에 전략적 절단과 접힘을 통합할 수 있게 해줍니다. 이러한 디자인 접근 방식을 통해 로봇은 평평한 상태에서 복잡한 3차원 구성으로 변환할 수 있어 마이크로스케일 수준에서 전례 없는 다재다능함을 제공합니다.

연구자들은 그들의 창조물을 "메타시트 로봇"이라고 불렀습니다. 여기서 "메타"라는 용어는 메타물질을 말합니다. 자연적으로 발생하는 물질에서는 찾을 수 없는 특성을 가진 엔지니어링된 소재입니다. 이 경우 메타시트는 고유한 기계적 동작을 생성하기 위해 함께 작동하는 수많은 구성 요소로 구성됩니다.

이 메타시트 디자인을 통해 로봇은 적용 범위를 변경하고 최대 40%까지 로컬로 확장하거나 축소할 수 있습니다. 다양한 모양을 채택할 수 있는 능력은 이러한 로봇이 이전에는 이 규모에서 달성할 수 없었던 방식으로 환경과 상호 작용할 수 있도록 합니다.

기술 사양 및 기능

이 초소형 로봇은 약 100개의 이산화규소 패널로 구성된 육각형 타일링으로 제작되었습니다. 이 패널들은 각각 두께가 약 200나노미터인 10개 이상의 작동 힌지로 상호 연결됩니다. 이처럼 패널과 힌지의 정교한 배열은 로봇의 형태 변환 능력의 기반이 됩니다.

이러한 로봇의 변형과 움직임은 전기화학적 활성화를 통해 달성됩니다. 외부 전선을 통해 전류가 가해지면 작동 힌지가 작동하여 산과 계곡 주름을 형성합니다. 이 작동으로 인해 패널이 펼쳐지고 회전하여 로봇이 모양을 바꿀 수 있습니다.

다양한 힌지를 선택적으로 활성화함으로써 로봇은 다양한 구성을 채택할 수 있습니다. 이를 통해 물체 주위를 감거나 평평한 시트로 다시 펼칠 수 있습니다. 전기적 자극에 반응하여 기어다니고 모양을 바꿀 수 있는 능력은 이러한 로봇을 이전의 마이크로스케일 디자인과 차별화하는 수준의 제어력과 다양성을 보여줍니다.

잠재적인 적용 및 시사점

이러한 형태 변환 마이크로스케일 로봇의 개발은 다양한 분야에서 수많은 잠재적 응용 분야를 열어줍니다. 의학 분야에서 이러한 로봇은 최소 침습적 시술을 혁신할 수 있습니다. 형태를 바꾸고 복잡한 신체 구조를 탐색하는 능력은 표적 약물 전달이나 미세 수술에 매우 귀중할 수 있습니다.

환경 과학 분야에서 이 로봇은 생태계나 오염 물질의 마이크로 스케일 모니터링에 배치될 수 있습니다. 작은 크기와 적응성 덕분에 현재 연구하기 어려운 환경에 접근하고 상호 작용할 수 있습니다.

또한, 재료 과학 및 제조 분야에서 이러한 로봇은 재구성 가능한 마이크로 머신의 빌딩 블록 역할을 할 수 있습니다. 이를 통해 필요에 따라 속성을 변경할 수 있는 적응형 소재의 개발로 이어져 항공 우주 공학이나 스마트 섬유와 같은 분야에서 새로운 가능성을 열 수 있습니다.

향후 연구 방향

코넬 팀은 이미 이 기술의 다음 단계를 기대하고 있습니다. 흥미로운 연구 분야 중 하나는 그들이 "탄성" 재료라고 부르는 것을 개발하는 것입니다. 이는 유연한 기계적 구조와 전자 컨트롤러를 결합하여 자연에서 발견되는 어떤 것보다 뛰어난 특성을 가진 초고응답 재료를 만듭니다.

코헨 교수는 프로그램된 방식으로 자극에 반응할 수 있는 재료를 구상합니다. 예를 들어, 힘을 가하면 이러한 재료는 경험한 것보다 더 큰 힘으로 "도망치거나" 밀어낼 수 있습니다. 자연적 한계를 초월하는 원칙에 의해 지배되는 이러한 지적인 물질 개념은 여러 산업에 걸쳐 혁신적인 응용 분야로 이어질 수 있습니다.

미래 연구의 또 다른 분야는 로봇이 주변 환경에서 에너지를 수확하는 능력을 향상시키는 것입니다. 연구진은 각 구성 요소에 빛에 민감한 전자 장치를 통합하여 장시간 자율적으로 작동할 수 있는 로봇을 개발하는 것을 목표로 합니다.

과제 및 고려 사항

이러한 초소형 로봇의 흥미로운 잠재력에도 불구하고, 몇 가지 과제가 남아 있습니다. 가장 중요한 과제 중 하나는 정밀성과 신뢰성을 유지하면서 이러한 장치의 생산량을 확대하는 것입니다. 로봇 구조의 복잡성은 광범위한 적용을 위해 극복해야 할 상당한 제조상의 어려움을 야기합니다.

또한, 실제 환경에서 이러한 로봇을 제어하는 ​​것은 상당한 과제를 안겨줍니다. 현재 연구에서는 외부 전선을 통한 제어를 보여주지만, 이 규모의 무선 제어 및 전원 공급 시스템을 개발하는 것은 여전히 ​​상당한 장애물입니다.

특히 잠재적인 생물의학적 응용 분야를 고려할 때 윤리적 고려 사항도 작용합니다. 인체 내에서 마이크로스케일 로봇을 사용하면 안전성, 장기적 효과, 환자 동의에 대한 중요한 의문이 제기되며, 이는 신중하게 해결해야 합니다.

히프 라인

코넬 대학 연구자들이 형상을 바꾸는 마이크로스케일 로봇을 개발한 것은 로봇공학과 재료 과학에서 중요한 이정표입니다. 이 획기적인 기술은 키리가미 원리를 독창적으로 적용하여 메타시트 구조를 만들어 혁신적인 의료 시술부터 고급 환경 모니터링까지 다양한 잠재적 응용 분야를 열어줍니다. 

제조, 제어 및 윤리적 고려 사항의 과제가 남아 있지만, 이 연구는 "탄성" 재료와 같은 미래 혁신을 위한 토대를 마련합니다. 이 기술이 계속 발전함에 따라 여러 산업과 더 광범위한 기술 환경을 재편할 잠재력이 있으며, 미시적 규모의 발전이 과학과 사회에 엄청난 영향을 미칠 수 있음을 다시 한 번 보여줍니다.