세계 최소 크기의 ‘프로그래밍 가능’ 자율 로봇 개발

스스로 환경을 감지하고 반응하며 수개월간 작동할 수 있는 초미세 자율 로봇이 등장했다. 크기는 소금 한 알보다 작지만, 센서와 연산 능력을 모두 갖춘 완전 자율 시스템이라는 점에서 주목받고 있다.

미국 펜실베이니아대학교와 미시간대학교 공동 연구진은 15일(현지시간), 세계에서 가장 작은 수준의 프로그래밍 가능 자율 로봇을 개발했다고 밝혔다. 연구진은 이 로봇이 의료 진단과 초정밀 제조 공정 등 다양한 분야에서 활용될 가능성이 크다고 설명했다. 대량 생산 시 개당 제조 비용이 1센트(약 14원)에 불과하다는 점도 눈길을 끈다.

이번 연구에서 펜실베이니아대는 로봇의 물리적 구조와 구동 방식을 설계했으며, 세계 최소형 컴퓨터 개발 기록을 보유한 미시간대는 로봇의 ‘두뇌’에 해당하는 초저전력 컴퓨팅 시스템 개발을 담당했다.

로봇의 크기는 약 200×300×50마이크로미터로 미생물과 비슷한 수준이다. 이처럼 극소형 환경에서는 점성과 항력의 영향이 커 일반적인 바퀴나 다리 구조가 적합하지 않다. 이에 연구진은 기계적 부품을 배제하고, 용액 속에서 이동하는 ‘수영(swammer)’ 방식을 채택했다.

로봇은 주변 용액 속 이온을 미세한 전기장으로 밀어내며 이동한다. 전기장을 정밀하게 조절하면 단독 이동뿐 아니라 집단적이거나 복잡한 동작도 구현할 수 있다. 움직이는 기계 부품이 없어 내구성이 높고, 마이크로 피펫으로 집어 들어도 구조적 손상이 발생하지 않는다는 장점이 있다.

가장 큰 기술적 난관은 전력 공급이었다. 연구진은 로봇 표면 대부분을 태양전지로 채우는 설계를 선택했지만, 이를 통해 확보할 수 있는 전력은 약 75나노와트로 스마트워치보다 10만 배 이상 적은 수준이다.

이를 해결하기 위해 미시간대 연구진은 극저전압에서도 동작 가능한 특수 회로를 개발해 컴퓨터의 전력 소모를 기존 대비 1000분의 1 이하로 줄였다. 또한 제한된 공간에 프로세서와 메모리를 집적하기 위해 명령어 구조 자체를 재설계, 여러 제어 과정을 하나의 특수 명령으로 압축했다.

이로써 센서와 프로세서, 메모리를 모두 갖춘 1밀리미터 미만의 사고 가능한 자율 로봇이 처음으로 구현됐다.

해당 로봇에는 섭씨 0.3도 오차 범위의 정밀 온도 센서가 탑재돼 있으며, 온도 변화에 따라 스스로 이동하거나 데이터를 전송할 수 있다. 데이터 전달 방식 역시 독특하다. 로봇은 벌의 ‘춤’과 유사한 미세한 움직임 패턴으로 측정값을 표현하고, 연구진은 현미경 카메라를 통해 이를 해독한다.

프로그래밍은 빛의 펄스를 이용해 수행된다. 태양전지는 전력 공급과 동시에 프로그램 입력 수단으로 활용되며, 각 로봇에는 고유 주소가 부여돼 수백 대를 동시에 배치해 서로 다른 임무를 수행하도록 설정할 수 있다. 태양광 기반의 높은 에너지 효율 덕분에 자율 작동 기간은 수개월에 이른다.

연구진은 현재 적용된 온도 센서를 시작으로, 향후 다양한 센서로 쉽게 교체할 수 있을 것이라고 설명했다. 연구진은 “지금은 마이크로 로봇 시대의 첫 장에 불과하다”며, 저비용 대량 생산이 가능한 초미세 자율 로봇이 의료 진단, 세포 단위 관측, 초정밀 제조 기술의 판도를 바꿀 것이라고 강조했다.

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