소재? 로봇? 메타봇이에요

영화 트랜스포머 시리즈 를 연상시키는 실험을 통해 프린스턴 대학의 엔지니어들은 모터나 내부 기어가 없음에도 불구하고 원격 조종 로봇처럼 확장되고, 새로운 모양을 갖추고, 움직이고, 전자기 명령을 따를 수 있는 유형의 소재를 만들어냈습니다.

프린스턴 대학교 공학과 마르가레타 엥그만 오거스틴 교수이자 연구원인 글라우시오 폴리노는 "소재와 로봇 사이를 변환할 수 있으며, 외부 자기장으로 제어할 수 있다"고 말했습니다.

4월 23일 네이처 (Nature) 지에 게재된 논문에서 연구진은 종이접기 예술인 오리가미(origami)에서 영감을 얻어 로봇과 소재의 경계를 허무는 구조를 개발했다고 밝혔습니다. 이 발명품은 메타물질(metamaterial)로, 화학적 조성이 아닌 물리적 구조에 따라 새롭고 특이한 특성을 나타내도록 설계된 소재입니다. 연구진은 간단한 플라스틱과 맞춤형 자성 복합재를 조합하여 메타물질을 제작했습니다. 자기장을 이용하여 메타물질의 구조를 변화시켜 메타물질에 직접 접촉하지 않고도 원격으로 팽창, 이동, 변형을 제어했습니다.

연구팀은 자신들이 만든 것을 "메타봇"이라고 불렀습니다. 모양을 바꾸고 움직일 수 있는 메타물질이죠.

"전자기장은 전력과 신호를 동시에 전달합니다. 각각의 동작은 매우 단순하지만, 이들을 결합하면 매우 복잡한 동작을 하게 됩니다."라고 이 논문의 저자이자 프린스턴 대학교 Andlinger 에너지 및 환경 센터 전기 및 컴퓨터 공학과 부교수인 민지에 첸은 말했습니다.

"이 연구는 토크를 원격으로, 순간적으로, 그리고 정밀하게 먼 거리에 전달하여 복잡한 로봇 동작을 유발할 수 있음을 보여줌으로써 전력 전자공학의 경계를 확장했습니다."

메타봇은 서로 거울상인 여러 개의 재구성 가능한 단위 셀이 모듈식으로 결합된 것입니다. 카이랄성이라고 불리는 이러한 미러링은 복잡한 동작을 가능하게 합니다. 폴리노 연구실의 박사후 연구원인 투오 자오는 메타봇이 간단한 밀기 동작만으로도 크게 뒤틀리고, 수축하고, 줄어들 수 있다고 말했습니다.

이 연구에 참여하지 않은 재료 및 로봇공학 전문가인 쉬안허 자오는 "이 연구는 오리자미 디자인과 응용 분야에 새롭고 흥미로운 길을 열어줬다"고 말했습니다.

MIT의 언카스 앤 헬렌 휘태커 교수인 자오는 "이번 연구는 모듈의 조립과 키랄 상태를 제어함으로써 매우 다재다능한 기계적 메타물질을 개발했습니다."라고 말했습니다. "이 모듈형 키랄 오리가미 메타물질의 다재다능함과 잠재적 기능은 정말 인상적입니다."

이탈리아 트렌토 대학교의 고체 및 구조 역학 교수인 다비데 비고니는 이 연구를 획기적이라 부르며, "소프트 로봇 공학, 항공 우주 공학, 에너지 흡수, 자발적 체온 조절 등 여러 분야에서 패러다임 전환을 가져올 수 있다"고 말했습니다.

논문 저자인 투오 자오는 이 기술의 로봇 응용 분야를 탐구하며 프린스턴 재료 연구소의 레이저 리소그래피 기계를 사용하여 높이 100마이크론(사람 머리카락보다 약간 두꺼운)의 프로토타입 메타봇을 제작했습니다. 연구진은 이와 유사한 로봇이 언젠가 신체 특정 부위에 약물을 전달하거나 외과의가 손상된 뼈나 조직을 치료하는 데 도움을 줄 수 있을 것이라고 밝혔습니다.

연구진은 또한 이 메타물질을 사용하여 빛을 흡수하는 검은색 표면과 반사하는 검은색 표면 사이를 오가는 온도 조절 장치를 개발했습니다. 한 실험에서 연구진은 메타물질을 밝은 햇빛에 노출시켜 표면 온도를 섭씨 27도(화씨 80도)에서 섭씨 70도(화씨 158도)로, 그리고 다시 반대로 조절할 수 있었습니다.

또 다른 가능한 사용 예로는 안테나, 렌즈, 빛의 파장을 다루는 장치에 응용하는 것입니다.

기하학은 이 새로운 소재의 핵심입니다. 연구진은 지지대를 설치하여 튜브가 압축되면 비틀리고, 비틀면 압축되도록 플라스틱 튜브를 제작했습니다. 종이접기에서는 이러한 튜브를 크레슬링 패턴이라고 합니다. 연구진은 거울상 크레슬링 튜브 두 개를 바닥에 연결하여 하나의 긴 원기둥을 만드는 방식으로 디자인의 기본 요소를 만들었습니다. 그 결과, 원기둥의 한쪽 끝은 한 방향으로 비틀면 접히고, 다른 쪽 끝은 반대 방향으로 비틀면 접힙니다.

튜브가 반복되는 이 단순한 패턴은 정밀하게 설계된 자기장을 이용하여 튜브의 각 부분을 독립적으로 움직일 수 있게 합니다. 자기장은 크레슬링 튜브가 뒤틀리거나, 접히거나, 터지게 하여 복잡한 동작을 유발합니다.

폴리노는 카이랄성, 즉 거울상 단면의 결과 중 하나는 이 물질이 물리적 물체의 일반적인 작용 및 반응 법칙을 거스를 수 있다는 것이라고 말했습니다. "보통 고무 막대를 시계 방향으로 돌린 다음 시계 반대 방향으로 돌리면 시작점으로 돌아갑니다."라고 폴리노는 말했습니다. 연구팀은 시계 방향으로 돌리면 접히고 시계 반대 방향으로 돌리면 다시 열리는 간단한 메타봇을 개발했습니다. 이는 정상적인 현상입니다. 그러나 반대 순서로, 즉 시계 반대 방향으로 돌린 다음 시계 방향으로 돌리면 같은 장치가 접히고 더 접힙니다.

폴리노는 이러한 비대칭적 거동이 히스테리시스라는 현상을 시뮬레이션한다고 말했습니다. 히스테리시스는 자극에 대한 시스템의 반응이 시스템 내부 변화 이력에 따라 달라지는 현상입니다. 공학, 물리학, 경제학에서 흔히 볼 수 있는 이러한 시스템은 수학적으로 모델링하기 어렵습니다. 폴리노는 메타물질이 이러한 시스템을 직접 시뮬레이션할 수 있는 방법을 제공한다고 말했습니다.

새로운 소재의 좀 더 먼 미래의 활용 방법은 컴퓨터의 트랜지스터로 만든 논리 게이트의 성능을 모방하는 물리적 구조를 설계하는 것입니다.

폴리노는 "이것은 비가환 상태와 같은 복잡한 행동을 시뮬레이션하는 물리적 방법을 제공한다"고 말했습니다.

이 연구는 프린스턴 대학교에서 공동으로 진행되었습니다. 폴리노 교수 토목공학 연구실의 박사후연구원 샹신 당은 메타물질 변형 분석을 위한 시뮬레이션과 모델을 개발했고, 첸 교수 전기공학 연구실과 폴리노 교수 연구실의 공동 지도를 받는 대학원생 콘스탄티노스 마노스는 자기 구동 하드웨어를 개발했으며, 폴리노 교수 연구실의 박사후연구원 시시 장은 조티르모이 만달 교수의 광학 및 열 설계 연구실과 협력하여 실험을 수행하고 온도 조절기를 설계 및 개발했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/04/250423111857.htm