빛으로 연료 만들어 스스로 움직인다…국내 연구진, 자율 마이크로로봇 구현[과학을읽다]

전남대·미시간대 공동연구…'Advanced Materials' 표지 선정
배터리 없이 구동 가능…약물 전달·미세유체 시스템 활용 기대

국내 연구진이 빛을 이용해 연료를 만들고 스스로 움직이는 소프트 마이크로 로봇 기술을 구현했다. 외부 연료 공급이나 배터리 없이도 자율 구동이 가능한 방식으로, 향후 체내 약물 전달과 환경 모니터링, 정밀 제조 분야에 활용될 차세대 마이크로 로봇 기술로 주목된다.

한국연구재단은 김형우 전남대학교 교수 연구팀과 미국의 압돈 페나-프란체슈 미시간대학교 교수 연구팀이 국제 공동연구를 통해 빛으로 연료를 생성·방출할 수 있는 '연료 저장 분자'를 개발하고, 이를 기반으로 자율적으로 움직이는 마이크로 로봇 구동 기술을 선보였다고 3일 밝혔다.

광화학 기반 연료 운반 분자 설계와 빛 기반 분해 거동. (a)헥사플루오로이소프로판올(HFIP) 연료 분자와 광반응성 오르토-니트로벤질(ONB) 유도체를 결합해 연료 운반 분자를 설계했으며, 자외선 조사 시 분해된다. (b)용액 상태에서 자외선 조사 시간이 늘어날수록 연료 운반 분자의 분해가 진행되며 색 변화가 나타난다. 김형우 전남대 교수 제공

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 글로컬R&D 지원사업으로 수행됐으며, 화학 분야 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)'에 지난 2월 28일 게재돼 표지 논문으로 선정됐다.

빛 비추면 연료 생성…표면장력으로 스스로 이동

마이크로 및 소프트 로봇은 체내 약물 전달, 환경 감시, 정밀 제조 등 다양한 분야에서 차세대 핵심 기술로 꼽힌다. 다만 크기가 마이크로 수준으로 작아질수록 기존 배터리나 전기적 구동 장치를 넣기 어렵고, 외부에서 지속적으로 에너지를 공급해야 한다는 한계가 있었다.

연구진은 이를 해결하기 위해 로봇 구조체 자체가 에너지를 저장하고 필요할 때 방출하는 '내재 에너지(embodied energy)' 개념에 주목했다. 빛을 받으면 화학적 연료를 현장에서 생성하는 광화학 기반 분자를 설계해 로봇 내부에 에너지를 저장하도록 했다.

이 분자는 자외선 조사 시 연료 물질인 헥사플루오로이소프로판올(HFIP)을 방출한다. 방출된 연료는 액체 표면의 장력 차이를 만들어 유체 흐름을 유도하는 마랑고니 흐름(Marangoni flow) 을 형성하고, 이를 통해 로봇이 액체 안에서 스스로 이동할 수 있게 된다.

광화학 연료 방출 기반 마이크로 로봇 추진 및 자기장 방향 제어. (a)PET 필름 기판에 연료 운반 분자를 코팅하고 자성 입자를 포함해 마이크로 로봇을 제작했다. (b)물 위에서 자외선 조사로 연료를 방출해 로봇이 전진하며, 자기장으로 이동 방향을 제어한다. (c)자외선과 자기장을 조절해 마이크로 로봇이 복잡한 궤적을 따라 이동한다. 김형우 전남대 교수 제공

연구진은 해당 분자를 고분자 복합체 필름 형태로 구현하거나 표면 코팅에 적용해 빛의 켜짐과 꺼짐에 따라 로봇의 움직임을 제어하는 데 성공했다. 여기에 자기장을 이용해 이동 방향까지 조절하면서 다양한 궤적을 따라 움직이는 자율 구동 방식을 입증했다.

김형우 교수는 "이번 기술은 마이크로 로봇뿐 아니라 능동 소재와 미세유체 시스템 등 다양한 분야에 활용될 수 있다"며 "향후 근적외선 기반 시스템으로 확장되면 의료용 체내 마이크로 로봇 개발에도 기여할 수 있을 것"이라고 말했다.

연구계는 이번 성과가 외부 연료 의존성을 줄인 새로운 마이크로 로봇 구동 전략을 제시했다는 점에서 의미가 크다고 평가한다. 향후 녹색광과 근적외선 기반 광반응 시스템으로 발전할 경우 약물 전달과 차세대 소프트 로봇 플랫폼 등 의료·환경·공학 분야 전반으로 확장될 가능성이 크다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr