AI, 자율주행 기술의 비약적인 성장과 함께 스마트 소재 연구가 활발히 진행됨에 따라 로봇의 시대 또한 본격화 되고 있다. 과거 자동차 등 제조 산업을 중심으로 진척되던 금속 기반의 로봇 산업에 이어 소프트 로봇 개발이 본격화되면서 바이오, 휴먼인터페이스, 항공·우주 등 다양한 분야에 걸쳐 우리의 삶이 혁신적으로 변화되고 있는 것이다. 부드러운 소재를 이용하여 만든 소프트로봇은 금속 로봇에 비해 가볍고 강성이 낮아 유연하여 활용성이 높다는 장점이 있어 최근 많은 연구가 활발히 진행되고 있다.
이러한 가운데 한양대 유기나노공학과 위정재 교수팀이 자성 토토사이트 즐벳의 집단 행동(collective behavior) 제어를 통해 수천 개의 부유 미세플라스틱(microplastic)을 수집할 수 있는 기술을 개발하여 주목을 받고 있다. 해당 기술을 활용하면 해류에 유입된 수천개의 미세플라스틱을 빠르게 포집할 수 있을 뿐 아니라 약물 전달, 초소형 물체이동 및 와류 제어 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
자성토토사이트 즐벳의 집단행동 제어로 와류 제어 및 미세플라스틱 포집
미세 플라스틱은 종이컵, 비닐봉지, 합성섬유 의류 등의 생활용품과 다양한 산업용품의 플라스틱 폐기물이 분해되면서 생성된다. 해양으로 유입될 경우 조류 및 어폐류 등의 생물들이 먹이로 착각하여 섭취 시 폐사에 이를 수 있을 뿐 아니라 먹이사슬을 통해 사람의 체내까지 유입될 위험이 있다. 이를 해결하기 위해 부유 미세플라스틱을 수집 기술을 개발해야 하나, 수많은 플라스틱 입자를 하나씩 집어서 수집하는 것이 쉽지 않을 뿐 아니라 많은 시간이 소요된다. 이에 위 교수팀은 고속 기동성을 갖는 자성 토토사이트 즐벳 집단 시스템을 개발하여 수상에서 와류를 만들고, 자성 토토사이트 즐벳 집단을 움직여 와류에 미세플라스틱들이 수집되도록 했다.
집단 행동은 자연계의 개미, 물고기, 새의 무리 등에서 흔히 볼 수 있는 현상으로, 다수의 생물체가 협력하여 먹이를 옮기거나 포식자로부터 방어할 수 있다. 토토사이트 즐벳 공학에 다중 객체의 집단 행동을 활용하면 단일 객체로는 수행하기 어려운 임무를 완료할 수 있는 이점이 있고, 시간이 상당히 소요되는 일을 효과적으로 수행할 수 있다.
물체를 하나씩 집어서 원하는 위치까지 이송한 후 내려놓는 그리퍼(gripper) 형태의 토토사이트 즐벳은 섬세한 모션 컨트롤이 가능하지만, 와류의 세기가 약하여 수천 개에 달하는 물체를 옮기는 것은 제한적이다. 반면 위 교수팀은 그리퍼 토토사이트 즐벳 대신 고속 수영이 가능한 자성 토토사이트 즐벳을 개발하였다. 토토사이트 즐벳이 위치한 기판 아래에서 평면상의 회전 자기장이 가해질 때, 해당 자성 토토사이트 즐벳 집단은 수상에서 빠른 속도로 회전 수영을 하였다. 그 결과, 물 표면에 와류(vortex)를 만들고 생성된 와류 내에 수천 개의 부유 미세플라스틱들을 포집할 수 있는 기술을 구현할 수 있었다.
회전 자기장 조건을 변경하여 토토사이트 즐벳에 가해지는 항력(drag force)보다 관성력(inertia force)을 높인 경우, 자성 토토사이트 즐벳 집단의 수영모드를 회전 수영에서 직선 병진 수영으로 전환할 수 있었다. 자성 토토사이트 즐벳 집단이 고속으로 직선 병진 수영을 하는 경우, 마이크로입자가 특정 구역으로 들어가는 것을 차단하거나 구역 내로 이송된 마이크로입자를 가둘 수 있었다. 특히 토토사이트 즐벳의 수영 모드에 따라 조립 길이를 바꿀 수 있기 때문에 와류의 크기 조절이 용이하다.
위 연구팀이 개발한 자성 로봇은 로봇이 물 표면에 뜰 수 있으면서도 물의 표면장력과 항력을 이기고 빠르게 수영할 수 있도록 제작되었다는 강점이 있다. 강성이 높으면서도 밀도가 낮은 탄소 나노튜브(carbon nanotube yarn)를 로봇의 뼈대로 활용했기 때문이다. 그 결과, 자성 로봇은 소금쟁이보다 최대 2배 빠른 속도로 수상 수영이 가능하였으며, 수 분 내에 4,000개에 달하는 미세플라스틱을 이송⋅수집할 수 있었다.
의공학 외 다양한 분야 적용 기대
지금까지 자성 로봇은 의공학 분야에서 약물 전달, 이미징 등의 응용에 집중돼왔다. 자성 로봇은 외부에서 자기장을 가하여 움직임을 제어할 수 있고, 전선이나 배터리가 내장되어 있지 않기 때문에 초소형화가 가능하기 때문이다. 위 교수는 “본 연구는 자성 로봇의 응용을 다각화할 수 있다는 잠재적 가능성을 제시한다. 미세플라스틱 포집 및 약물 전달을 비롯한 의공학 뿐 아니라 초소형 물체 이동 시미세유체(microfluid) 내 와류 제어 등의 응용분야에 적용 가능할 것으로 기대된다”고 말했다.
진행 중인 후속 연구에 대해 그는 “자성로봇의 집단 행동을 활용하고 새로운 응용처를 찾는 연구를 진행하는 중”이라고 밝혔다. 그는 “자성 로봇을 수십, 수백 대까지 증가시켰을 때 나타날 수 있는 집단행동에 대한 연구를 진행할 계획이다. 로봇 군단(swarm)을 활용할 경우, 기존의 단일 로봇 또는 소수의 로봇들로는 불가능했던 또 다른 일을 실현할 수 있을 것이다. 이를 위해 자성 로봇을 대량생산할 수 있는 기술 개발을 선행할 예정이다”라며 향후 연구 계획을 드러냈다.
이번 연구결과의 논문 “Multimodal Collective Swimming of Magnetically Articulated Modular Nanocomposite Robots (자기적으로 연결된 모듈형 나노복합체 로봇의 다중 모드가 가능한 집단 수영)” 은 국제 저명 학술지 「네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF=17.694)」에 11월 8일자에 게재됐다. 한양대학교 산업과학연구소 및 인하대학교 고분자환경융합공학 전공의 원수경 박사과정 학생과 인하대학교 고분자환경융합공학 전공의 이희은 졸업생이 공동1저자로 참여하였고, 인하대학교 화학공학과 양승재 교수팀과 공동연구로 수행되었다. 또한 과학기술정보통신부가 시행하는 기초연구사업(중견연구), 미국공군연구소, 한국과학기술연구원의 지원을 받아 진행되었다.
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