과학자들이 소금 알갱이보다 작은, 생각할 수 있는 로봇을 만들었다.

센서와 컴퓨터가 완벽하게 통합된 초소형 로봇으로, 지문 능선 위에 균형을 잡을 수 있을 만큼 작습니다. (사진 제공: 마크 미스킨, 펜실베이니아 대학교) (삽입 그림: 미국 1센트 동전 위에 있는 초소형 로봇, 크기 비교용. 사진 제공: 마이클 시마리, 미시간 대학교)

펜실베이니아 대학교와 미시간 대학교의 연구진이 지금까지 만들어진 로봇 중 가장 작은 완전 프로그래밍 가능 자율 로봇을 개발했습니다. 이 초소형 로봇은 액체 속을 헤엄치고, 주변 환경을 감지하고, 스스로 반응하며, 한 번 작동으로 수개월 동안 가동할 수 있고, 제작 비용은 대당 약 1센트에 불과합니다.

각 로봇은 확대 없이는 거의 보이지 않으며, 크기는 대략 200 x 300 x 50 마이크로미터입니다. 이는 소금 알갱이보다도 작습니다. 이 로봇들은 많은 살아있는 미생물과 같은 크기로 작동하기 때문에, 언젠가는 의사들이 개별 세포를 관찰하거나 엔지니어들이 첨단 제조에 사용되는 초소형 장치를 조립하는 데 도움을 줄 수 있을 것입니다.

빛 에너지로만 작동하는 이 로봇들은 미세한 컴퓨터를 탑재하고 있어 프로그래밍된 경로를 따라가고, 주변 온도 변화를 감지하고, 그에 따라 움직임을 조절할 수 있습니다.

이 연구 결과는 Science Robotics 와 미국 국립과학원회보(PNAS) 에 발표되었습니다 . 기존의 초소형 로봇들과 달리, 이 로봇들은 전선, 자기장 또는 외부 제어 장치에 의존하지 않습니다. 따라서 이처럼 작은 크기에서 진정한 자율성과 프로그래밍 기능을 갖춘 최초의 로봇이라고 할 수 있습니다.

"우리는 자율 로봇을 1만 배 더 작게 만들었습니다."라고 펜실베이니아 대학교 공과대학 전기 및 시스템 공학과 조교수이자 이번 논문의 책임 저자인 마크 미스킨은 말합니다. "이는 프로그래밍 가능한 로봇에 완전히 새로운 규모를 열어줍니다."

로봇 크기를 줄이는 것이 왜 그렇게 어려운가

지난 수십 년 동안 전자제품은 꾸준히 소형화되었지만, 로봇공학은 같은 궤적을 따라가지 못했습니다. 미스킨에 따르면, 1mm 미만의 크기에서 로봇이 독립적으로 작동하는 것은 여전히 ​​해결되지 않은 과제입니다. "1mm 미만의 크기에서 독립적으로 작동하는 로봇을 만드는 것은 엄청나게 어렵습니다."라고 그는 말합니다. "이 분야는 사실상 40년 동안 이 문제에 갇혀 있습니다."

일상적인 규모에서는 물체의 부피에 따라 달라지는 중력과 관성 같은 힘이 운동의 형태를 결정합니다. 하지만 미시적인 크기에서는 표면과 관련된 힘이 지배적입니다. 항력과 점성이 압도적인 힘이 되어 운동의 작동 방식이 극적으로 바뀝니다. 미스킨은 "크기가 충분히 작으면 물을 미는 것은 마치 타르를 미는 것과 같습니다."라고 말합니다.

물리 법칙의 이러한 변화 때문에 기존 로봇 설계 방식은 한계를 드러냅니다. 작은 팔이나 다리는 쉽게 부러지고 제작하기도 매우 어렵습니다. 미스킨은 "아주 작은 다리와 팔은 쉽게 부러집니다."라고 설명하며, "제작하기도 매우 어렵습니다."라고 덧붙였습니다.

이러한 한계를 극복하기 위해 연구진은 미시 세계의 물리학에 저항하는 대신 이를 활용하여 움직이는 완전히 새로운 로봇 이동 방식을 개발했습니다.

미세 로봇은 어떻게 헤엄칠까?

물고기를 비롯한 대형 유영 동물들은 뉴턴의 제3법칙에 따라 물을 뒤로 밀어내면서 앞으로 나아가는 운동을 합니다. 하지만 이 작은 로봇들은 전혀 다른 방식을 사용합니다.

로봇은 휘거나 구부러지는 대신, 주변 액체 속의 대전 입자를 부드럽게 밀어내는 전기장을 생성합니다. 이온들이 움직이면서 주변의 물 분자들을 끌어당겨 로봇 주변의 유체에 움직임을 만들어냅니다. 미스킨은 "마치 로봇이 흐르는 강물 속에 있는 것 같지만, 로봇이 강물을 움직이게 하는 역할도 하는 거죠."라고 설명합니다.

이 로봇들은 전기장을 조절함으로써 방향을 바꾸고, 복잡한 경로를 따라가며, 심지어 물고기 떼처럼 집단으로 움직임을 조율할 수도 있습니다. 초당 최대 로봇 몸길이의 속도에 도달할 수 있습니다.

이 수영 방식은 움직이는 부품이 없는 전극을 사용하기 때문에 로봇의 내구성이 매우 뛰어납니다. 미스킨에 따르면, 마이크로피펫을 사용하여 손상 없이 여러 샘플 사이를 반복적으로 옮길 수 있습니다. LED에서 나오는 빛으로 작동하는 이 로봇은 수개월 동안 계속해서 수영할 수 있습니다.

극소량의 몸에 지능을 담아내다

진정한 자율성은 단순한 움직임 이상의 것을 요구합니다. 로봇은 주변 환경을 감지하고, 스스로 판단을 내리고, 에너지를 자급자족할 수 있어야 합니다. 이 모든 구성 요소가 불과 몇 분의 1밀리미터 크기의 칩에 담겨야 합니다. 미시간 대학교의 데이비드 블라우 연구팀은 이러한 난제를 해결하기 위해 나섰습니다.

블라우 연구실은 이미 세계에서 가장 작은 컴퓨터를 만든 기록을 보유하고 있습니다. 블라우와 미스킨은 5년 전 미국 국방고등연구계획국(DARPA) 발표회에서 만났을 때, 서로의 기술이 상호 보완적이라는 것을 금방 깨달았습니다. 블라우는 "펜실베이니아 공대의 추진 시스템과 우리 연구실의 초소형 전자 컴퓨터가 마치 서로를 위해 만들어진 것 같았습니다."라고 말합니다. 하지만 그 아이디어를 실제로 작동하는 로봇으로 구현하는 데는 5년이라는 개발 기간이 필요했습니다.

가장 큰 장애물 중 하나는 전력 문제였다. 블라우는 "전자 장치의 핵심 과제는 태양광 패널이 매우 작아서 75나노와트의 전력밖에 생산하지 못한다는 점"이라며, "이는 스마트워치가 소비하는 전력보다 10만 배 이상 적은 양"이라고 설명했다. 시스템을 작동시키기 위해 연구팀은 극저전압에서 작동하는 특수 회로를 설계하여 전력 소비량을 1,000배 이상 줄였습니다.

공간 또한 주요 제약 조건 중 하나였습니다. 태양광 패널이 로봇 표면의 대부분을 차지하여 컴퓨팅 하드웨어를 위한 공간이 거의 남지 않았습니다. 이 문제를 해결하기 위해 연구진은 로봇 소프트웨어 작동 방식을 재설계했습니다. 블라우는 "컴퓨터 프로그램 명령어를 완전히 재고해야 했습니다."라고 설명하며, "기존에는 추진 제어에 필요한 여러 명령어를 단 하나의 특수 명령어로 압축하여 프로그램 길이를 줄이고 로봇의 작은 메모리 공간에 맞도록 했습니다."라고 덧붙였습니다.

감지하고 소통하는 로봇

이러한 발전들을 통해 연구진은 실제 의사결정이 가능한 최초의 1mm 미만 로봇을 만들어냈다고 믿고 있습니다. 연구진에 따르면, 이전에는 프로세서, 메모리, 센서를 포함한 완전한 컴퓨터를 이처럼 작은 로봇에 탑재한 사례는 없었습니다. 이러한 성과 덕분에 로봇은 주변 환경을 감지하고 독립적으로 반응할 수 있게 되었습니다.

이 로봇에는 섭씨 0.3분의 1도만큼 미세한 온도 변화까지 감지할 수 있는 전자 온도 센서가 탑재되어 있습니다. 이러한 기능 덕분에 로봇은 따뜻한 지역으로 이동하거나 세포 활동의 지표가 될 수 있는 온도 값을 보고하여 개별 세포를 모니터링할 수 있습니다.

측정값을 전달하기 위해서는 독창적인 해결책이 필요했습니다. 블라우는 "온도 측정값을 보고하기 위해 로봇이 추는 작은 춤의 움직임에 측정된 온도와 같은 값을 인코딩하는 특별한 컴퓨터 명령어를 설계했습니다."라고 설명합니다. "그런 다음 카메라가 달린 현미경으로 이 춤을 관찰하고 움직임에서 로봇이 우리에게 무엇을 말하는지 해독합니다. 꿀벌이 서로 소통하는 방식과 매우 유사합니다."

로봇에 전력을 공급하는 것과 동일한 빛이 로봇을 프로그래밍하는 데 사용됩니다. 각 로봇은 고유한 주소를 가지고 있어 연구원들이 각기 다른 로봇에 서로 다른 명령을 업로드할 수 있습니다. 블라우는 "이것은 수많은 가능성을 열어줍니다."라며, "각 로봇이 더 큰 공동 작업에서 서로 다른 역할을 수행할 수 있게 되는 것이죠."라고 덧붙였습니다.

미래의 미세 기계를 위한 플랫폼

현재의 로봇은 단지 시작점에 불과합니다. 미래의 버전은 더욱 발전된 프로그램을 탑재하고, 더 빠른 속도로 움직이며, 추가 센서를 포함하거나, 더 열악한 환경에서도 작동할 수 있을 것입니다. 연구진은 견고한 추진 방식과 저렴하게 제조하고 시간이 지남에 따라 조정할 수 있는 전자 장치를 결합하여 유연한 플랫폼으로 시스템을 설계했습니다.

"이것은 정말 첫 번째 장에 불과합니다."라고 미스킨은 말합니다. "우리는 눈에 거의 보이지 않을 정도로 작은 물체에 두뇌, 센서, 모터를 넣고도 몇 달 동안 작동할 수 있다는 것을 보여주었습니다. 일단 그 기반이 마련되면 온갖 종류의 지능과 기능을 덧붙일 수 있습니다. 이는 초소형 로봇 공학의 완전히 새로운 미래를 열어줍니다."

본 연구는 펜실베이니아 대학교(Penn) 공학 및 응용과학대학, Penn 인문과학대학, 그리고 미시간 대학교 전기공학 및 컴퓨터과학과에서 수행되었습니다. 연구 자금은 미국 국립과학재단(NSF 2221576), 펜실베이니아 대학교 총장실, 미 공군 과학연구소(AFOSR FA9550-21-1-0313), 미 육군 연구소(ARO YIP W911NF-17-S-0002), 패커드 재단, 슬론 재단, 그리고 NSF 나노기술 협력 인프라 프로그램(NNCI-2025608)에서 지원받았으며, NSF 나노기술 협력 인프라 프로그램은 싱 나노기술 센터와 후지쓰 반도체를 지원합니다.

공동 저자로는 펜실베이니아 대학교의 마야 M. 래시터, 카일 스켈릴, 루카스 C. 핸슨, 스콧 슈래거, 윌리엄 H. 라인하르트, 타루냐 시바쿠마르, 마크 yim과 미시간 대학교의 데니스 실베스터, 리 쉬, 이정호가 참여했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2026/01/260105165815.htm