자율 로봇을 위한 획기적인 마이크로스케일 배터리 개발
마이크로스케일 로봇 분야는 오랫동안 근본적인 과제에 직면해 왔다. 인체 또는 산업용 파이프라인을 탐색할 수 있을 만큼 작은 자율 장치에 충분한 전력을 공급하는 방법이다. 기존의 전원은 이러한 응용 분야에 너무 크거나 비효율적이어서 이러한 소형 경이로움의 잠재력이 제한되었다. 그러나 매사추세츠 공과대학(MIT)의 획기적인 개발은 이러한 장애물을 극복하고 잠재적으로 마이크로스케일 로봇의 새로운 시대를 열 것을 약속한다.
소형화의 힘
MIT에서 개발한 새로운 배터리는 소형화의 경계를 놀라울 정도로 극단적으로 넓혔다. 길이가 0.1mm, 두께가 0.002mm에 불과한 이 전원은 육안으로는 거의 보이지 않는다. 아주 작은 크기에도 불구하고 배터리는 상당한 파워를 가지고 있어 최대 1볼트의 전기를 생성할 수 있어 소형 회로, 센서 또는 액추에이터에 전원을 공급하기에 충분하다.
이 배터리의 기능의 핵심은 혁신적인 설계에 있다. 주변 공기의 산소를 활용하여 아연을 산화시켜 전류를 생성한다. 이러한 접근 방식을 통해 배터리는 다양한 환경에서 외부 연료원 없이 작동할 수 있으며, 이는 다양한 환경에서 자율 작동을 위한 중요한 요소이다.
기존의 소형 로봇용 전원 솔루션과 비교했을 때 MIT 배터리는 상당한 도약을 나타낸다. 이전에 마이크로스케일 장치에 전원을 공급하려는 시도는 종종 레이저나 전자기장과 같은 외부 에너지원에 의존했다. 이러한 방법은 통제된 환경에서 효과적이었지만 로봇의 범위와 자율성을 심각하게 제한했다. 반면에 새로운 배터리는 내부 전원을 제공하여 마이크로 로봇의 잠재적인 응용 분야와 운영 범위를 크게 확장한다.
자율 마이크로 로봇의 해방
이 마이크로 스케일 배터리의 개발은 로봇 분야, 특히 자율 마이크로 디바이스 분야에서 중요한 전환점을 나타낸다. 연구자들은 전원을 이 작은 기계에 직접 통합함으로써 이제 복잡한 실제 환경에서 작동할 수 있는 진정으로 독립적인 로봇 시스템을 구상할 수 있다.
이 향상된 자율성은 연구자들이 "마리오네트" 시스템이라고 부르는 것과 극명하게 대조된다. 즉, 외부 전원과 제어 메커니즘에 의존하는 마이크로 로봇이다. 이러한 시스템은 인상적인 성능을 보여주었지만 외부 입력에 대한 의존성으로 인해 특히 접근하기 어렵거나 민감한 환경에서 잠재적인 응용 분야가 제한된다.
MIT의 화학 공학 카본 P. 더브스 교수이자 이 연구의 수석 저자인 마이클 스트라노(Michael Strano)는 이 기술의 혁신적인 잠재력을 강조한다. "우리는 이것이 로봇 공학에 매우 유용할 것이라고 생각한다. 우리는 배터리에 로봇 기능을 구축하고 이러한 구성 요소를 장치에 통합하기 시작했다."
액추에이터, 멤리스터, 클록 회로, 센서를 포함한 다양한 구성 요소에 전원을 공급하는 기능은 이러한 마이크로 로봇에 광범위한 가능성을 열어준다. 이들은 잠재적으로 복잡한 환경을 탐색하고, 정보를 처리하고, 시간을 추적하고, 화학적 자극에 반응할 수 있다. 이 모든 것이 인체나 산업 시스템에 도입될 수 있을 만큼 작은 폼 팩터 내에서 가능하다.
잠재적 응용 분야
헬스케어에서 산업 유지 관리에 이르기까지 이 기술의 잠재적 응용 분야는 획기적일 뿐만 아니라 다양하다.
의료의 최전선
마이크로스케일 배터리 기술은 의료 분야, 특히 표적 약물 전달 분야에서 흥미로운 가능성을 열어준다. 연구자들은 인체 내에 소형 배터리 구동 로봇을 배치하여 특정 부위에 약물을 운반하고 방출하는 것을 구상한다. 이 접근 방식은 다양한 질환에 대한 치료법을 혁신하여 전신 약물 투여와 관련된 부작용을 줄이는 동시에 효능을 향상시킬 수 있다.
약물 전달을 넘어 이러한 마이크로 로봇은 최소 침습적 진단 및 개입의 새로운 형태를 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 조직 샘플을 수집하고 혈관의 막힘을 제거하거나 내부 장기를 실시간으로 모니터링하는 데 사용될 수 있다. 이 규모에서 센서와 송신기에 전원을 공급하는 기능은 지속적인 건강 모니터링을 위한 고급 이식형 의료 기기로 이어질 수도 있다.
산업 혁신
산업 분야에서 이 기술의 응용 분야는 똑같이 유망하다. 가장 즉각적인 잠재적 용도 중 하나는 가스 파이프라인 누출 감지이다. 이러한 배터리로 구동되는 소형 로봇은 복잡한 파이프라인 시스템을 탐색하여 전례 없는 정밀도와 효율성으로 누출을 식별하고 찾을 수 있다.
이 기술은 또한 인간의 접근이 제한되거나 위험한 다른 산업 환경에서도 응용될 수 있다. 예를 들어 원자력 발전소의 구조물 무결성 검사, 밀폐형 반응기의 화학 공정 모니터링 또는 유지 보수 목적으로 제조 장비의 좁은 공간 탐색이 있다.
마이크로 배터리 내부
이 혁신의 핵심은 아연-공기 배터리 설계이다. 이 배터리는 백금 전극에 연결된 아연 전극으로 구성되어 있으며, 둘 다 마이크로 전자공학에서 일반적으로 사용되는 소재인 SU-8로 만든 폴리머 스트립에 매립되어 있다. 공기 중의 산소 분자에 노출되면 아연이 산화되어 전자를 방출하고, 이 전자가 백금 전극으로 흘러 전류를 생성한다.
이 독창적인 설계를 통해 배터리는 마이크로 로봇 기능에 필수적인 다양한 구성 요소에 전원을 공급할 수 있다. MIT 팀은 연구에서 배터리가 다음을 활성화할 수 있음을 입증했다.
1.액추에이터(높낮이를 조절할 수 있는 로봇 팔)
2.메모리스터(전기 저항을 변경하여 메모리를 저장할 수 있는 전기 구성 요소)
3.클록 회로(로봇이 시간을 추적할 수 있도록 함)
4.두 가지 유형의 화학 센서(하나는 원자적으로 얇은 이황화 몰리브덴으로 만들어졌고 다른 하나는 탄소 나노튜브로 만들어짐)
미래 방향 및 과제
현재 마이크로 배터리의 성능은 인상적이지만, 진행 중인 연구는 전압 출력을 높여 추가 응용 프로그램과 더 복잡한 기능을 가능하게 하는 것을 목표로 한다. 이 팀은 또한 배터리를 로봇 장치에 직접 통합하여 배터리가 전선을 통해 외부 구성 요소에 연결되는 현재 설정을 넘어서는 작업을 진행하고 있다.
의료 응용 프로그램에 대한 중요한 고려 사항은 생체 적합성과 안전성이다. 연구자들은 작업이 완료되면 신체 내에서 안전하게 분해되는 재료를 사용하여 이러한 장치의 버전을 개발하는 것을 구상한다. 이 접근 방식은 회수의 필요성을 없애고 장기적인 합병증의 위험을 줄일 것이다.
또 다른 흥미로운 방향은 이러한 마이크로 배터리를 보다 복잡한 로봇 시스템에 통합할 수 있는 가능성이다. 이를 통해 대규모 작업을 처리하거나 보다 포괄적인 모니터링 및 개입 기능을 제공할 수 있는 조정된 마이크로 로봇 무리가 생길 수 있다.
결론
MIT의 마이크로 스케일 배터리는 자율 로봇 분야에서 큰 도약을 나타낸다. 세포 크기의 로봇에 실행 가능한 전원을 제공함으로써 이 기술은 의학, 산업 및 그 외 분야에서 획기적인 응용 분야를 위한 길을 열어준다. 이 혁신에 대한 연구가 계속 개선되고 확장됨에 따라 우리는 나노기술의 새로운 시대로 접어들고 있으며, 이는 마이크로 스케일에서 세상과 상호 작용하고 조작하는 우리의 능력을 변화시킬 것을 약속한다.