자성 로봇의 집단 고속 수상 수영을 통한 와류 제어 및 초소형 물체 군집이송

한양대 유기나노공학과 위정재 교수팀이 자성 로봇의 집단 행동(collective behavior) 제어를 통해 수천 개의 부유 미세플라스틱을 수집할 수 있는 기술을 개발했다고, 한양대가 11일 밝혔다.

집단 행동은 자연계의 개미, 물고기, 새의 무리 등에서 흔히 볼 수 있는 현상으로, 다수의 생물체가 협력하여 먹이를 옮기거나 포식자로부터 방어할 수 있다. 로봇 공학에 다중 객체의 집단 행동을 활용하면 단일 객체로는 수행하기 어려운 임무를 완료할 수 있는 이점이 있고, 시간이 상당히 소요되는 일을 효과적으로 수행할 수 있다.

위 교수팀은 많은 수의 초소형 물체를 빠르게 이송하기 위해 로봇의 집단 행동 전략을 이용했다. 물체를 하나씩 집어서 원하는 위치까지 이송한 후 내려놓는 그리퍼(gripper) 형태의 로봇은 섬세한 모션 컨트롤이 가능하지만, 수천 개에 달하는 물체를 옮기는 것은 제한적이다. 그리퍼 로봇 대신 위 교수팀은 고속 수영이 가능한 자성 로봇을 개발하였다. 로봇이 위치한 기판 아래에서 평면상의 회전 자기장이 가해질 때, 해당 자성 로봇 집단을 수상에서 빠른 속도로 회전 수영을 하였다. 그 결과, 물 표면에 와류(vortex)를 만들고 생성된 와류 내에 수천 개의 부유 미세플라스틱들을 포집할 수 있는 기술을 구현했다.

회전 자기장 조건을 변경하여 로봇에 가해지는 항력(drag force)보다 관성력(inertia force)을 높인 경우, 자성 로봇 집단의 수영모드를 회전 수영에서 직선 병진 수영으로 전환할 수 있었다. 자성 로봇 집단이 고속으로 직선 병진 수영을 하는 경우, 마이크로입자가 특정 구역으로 들어가는 것을 차단하거나 구역 내로 이송된 마이크로입자를 가둘 수 있었다.

위 교수는 “이번 연구는 미세플라스틱 포집 및 약물 전달, 미세유체(microfluid) 내 와류 제어 등의 응용분야에 적용 가능할 것으로 기대된다.”고 밝혔다.

이번 연구결과의 논문 “Multimodal Collective Swimming of Magnetically Articulated Modular Nanocomposite Robots (자기적으로 연결된 모듈형 나노복합체 로봇의 다중 모드가 가능한 집단 수영)” 은 국제 저명 학술지 「네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF=17.694)」에 11월 8일자에 게재됐다. 한양대학교 산업과학연구소 및 인하대학교 고분자환경융합공학 전공의 원수경 박사과정 학생과 인하대학교 고분자환경융합공학 전공의 이희은 졸업생이 공동1저자로 참여하였고, 인하대학교 화학공학과 양승재 교수팀과 공동연구로 수행되었다. 또한 과학기술정보통신부가 시행하는 기초연구사업(중견연구), 미국공군연구소, 한국과학기술연구원의 지원을 받아 진행되었다.