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마이크로로봇

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목차

1. 개요

마이크로로봇은 마이크로컨트롤러 및 MEMS 기술의 발전에 따라 20세기 후반에 등장했다. 초기에는 비밀 정보 수집 및 포로 구조 지원 등의 군사적 목적으로 연구되었으나, 기술적 한계로 인해 프로토타입 개발은 지연되었다. 무선 통신 기술의 발전과 생체 재료의 활용으로 마이크로로봇은 더욱 발전하여, 다른 로봇과의 협업 및 생체 조직을 이용한 제노봇 제작이 가능해졌다. 한국에서는 전남대학교 로봇연구소, 부경대학교 등을 중심으로 의료용 마이크로로봇 기술 개발이 활발히 이루어지고 있으며, 혈관 치료 및 암 치료 분야에서 선도적인 기술을 보유하고 있다. 마이크로로봇은 표면 이동, 유체 내 이동, 공기-유체 계면 이동, 비행 등 다양한 방식으로 움직이며, 의료, 군사, 산업 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다.

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마이크로로봇
개요
마이크로로봇
마이크로로봇
분야로봇공학
크기이하
다른 이름마이크로봇 (Microbot)
상세 정보
정의3cm 이하의 크기를 가진 로봇
연구 분야의료, 산업, 환경 모니터링 등
기술마이크로/나노 제조
센서 기술
액추에이터 기술
제어 시스템
활용 예시혈관 내 약물 전달
미세 수술
환경 오염 감지
정밀 제조
추가 정보머리카락 굵기 정도의 초소형 로봇도 연구 중이다.

2. 역사

마이크로로봇은 20세기 후반 마이크로컨트롤러와 실리콘 기반 미세 전자기계 시스템(MEMS)이 등장하면서 탄생했다.[1] 하지만 많은 마이크로로봇은 센서를 제외하고는 기계적 부품에 실리콘을 사용하지 않는다. 이러한 소형 로봇에 대한 초기 연구와 개념 설계는 1970년대 초 미국 정보 기관의 (당시) 기밀 정보 연구에서 수행되었다.[1] 당시 구상된 응용 분야는 포로 구조 지원 및 전자 가로채기 임무였다. 그러나 당시에는 근본적인 소형화 지원 기술이 충분히 개발되지 않아, 이 초기 계산 및 개념 설계에서 프로토타입 개발이 즉각적으로 이루어지지는 않았다.[1] 2008년 기준으로 가장 작은 마이크로로봇은 스크래치 드라이브 액추에이터를 사용한다.[2]

무선 연결, 특히 와이파이(예: 홈 오토메이션의 가정 네트워크)의 발전은 마이크로로봇의 통신 능력을 크게 향상시켰고, 결과적으로 다른 마이크로로봇과 협력하여 더 복잡한 작업을 수행할 수 있게 되었다.[3][4][5] 실제로 최근 연구 사례로 하버드 대학교에서 1,024개의 로봇 군집이 자체적으로 다양한 형태로 조립되는 연구와; SRI 인터내셔널에서 DARPA의 "매크로 제품용 마이크로 팩토리" 프로그램을 위해 경량 고강도 구조를 구축할 수 있는 마이크로로봇을 제조하는 연구가 진행되고 있다.[3][4][5]

제노봇이라고 불리는 마이크로로봇은 금속과 전자 장치 대신 생체 로봇 기술을 생체 조직을 사용하여 제작되기도 한다.[6] 제노봇은 자가 전원 공급, 생분해성 및 생체 적합성이 뛰어나 기존 마이크로로봇의 기술적, 환경적 복잡성을 일부 회피한다.

2. 1. 마이크로 로봇 기술의 태동

마이크로로봇은 20세기 후반에 마이크로컨트롤러가 등장하고, 실리콘 기반의 미세 전자기계 시스템(MEMS)이 등장하면서 탄생했다.[1] 하지만 많은 마이크로로봇은 센서를 제외하고는 기계적 부품에 실리콘을 사용하지 않는다. 이러한 소형 로봇에 대한 초기 연구와 개념 설계는 1970년대 초 미국 정보 기관의 (당시) 기밀 정보 연구에서 수행되었다.[1] 당시 구상된 응용 분야는 포로 구조 지원 및 전자 가로채기 임무였다. 당시에는 근본적인 소형화 지원 기술이 충분히 개발되지 않아, 이 초기 계산 및 개념 설계에서 프로토타입 개발이 즉각적으로 이루어지지는 않았다.[1] 2008년 기준으로 가장 작은 마이크로로봇은 스크래치 드라이브 액추에이터를 사용한다.[2]

무선 연결, 특히 와이파이(예: 홈 오토메이션의 가정 네트워크)의 발전은 마이크로로봇의 통신 능력을 크게 향상시켰고, 결과적으로 다른 마이크로로봇과 협력하여 더 복잡한 작업을 수행할 수 있게 되었다.[3][4][5] 하버드 대학교에서 1,024개의 로봇 군집이 자체적으로 다양한 형태로 조립되는 연구와; SRI 인터내셔널에서 DARPA의 "매크로 제품용 마이크로 팩토리" 프로그램을 위해 경량 고강도 구조를 구축할 수 있는 마이크로로봇을 제조하는 연구가 진행되고 있다.[3][4][5]

제노봇이라고 불리는 마이크로로봇은 금속과 전자 장치 대신 생체 로봇 기술을 생체 조직을 사용하여 제작되기도 한다.[6] 제노봇은 자가 전원 공급, 생분해성 및 생체 적합성이 뛰어나 기존 마이크로로봇의 기술적, 환경적 복잡성을 일부 회피한다.

2. 2. 무선 통신 기술과의 융합

무선 연결, 특히 와이파이(예: 홈 오토메이션의 가정 네트워크)의 발전은 마이크로로봇의 통신 능력을 크게 향상시켰다.[1] 이러한 발전은 마이크로로봇이 다른 마이크로로봇과 협력하여 더 복잡한 작업을 수행할 수 있도록 해주었다. 최근 연구 사례로 하버드 대학교에서 1,024개의 로봇 군집이 자체적으로 다양한 형태로 조립되는 연구가 진행되었다.[3] SRI 인터내셔널에서는 DARPA의 "매크로 제품용 마이크로 팩토리" 프로그램을 위해 경량 고강도 구조를 구축할 수 있는 마이크로로봇을 제조하는 데 집중하고 있다.[4][5]

2. 3. 생체 재료 기반 마이크로 로봇

마이크로컨트롤러와 실리콘 기반의 미세 전자기계 시스템(MEMS)의 등장으로 20세기 후반에 마이크로로봇이 탄생했다.[1] 1970년대 초 미국 정보 기관의 기밀 정보 연구에서 소형 로봇에 대한 초기 연구와 개념 설계가 수행되었으며, 포로 구조 지원 및 전자 가로채기 임무에 활용될 예정이었다.[1] 그러나 당시 소형화 기술의 부족으로 프로토타입 개발은 즉각적으로 이루어지지 않았다.[1] 2008년 기준으로 가장 작은 마이크로로봇은 스크래치 드라이브 액추에이터를 사용한다.[2]

무선 연결, 특히 와이파이의 발전은 마이크로로봇의 통신 능력을 향상시켜 다른 마이크로로봇과의 협력을 가능하게 했다.[3][4][5] 하버드 대학교의 1,024개 로봇 군집 연구와 SRI 인터내셔널의 DARPA "매크로 제품용 마이크로 팩토리" 프로그램이 그 예시이다.[3][4][5]

최근에는 금속과 전자 장치 대신 생체 조직을 사용하는 생체 로봇 기술로 제작된 제노봇이 등장했다.[6] 제노봇은 자가 전원 공급, 생분해성, 생체 적합성이 뛰어나 기존 마이크로로봇의 기술적, 환경적 복잡성을 일부 회피한다.[6]

3. 한국의 마이크로 로봇 기술

3. 1. 선도적인 기술 개발

전남대학교 로봇연구소 박종오 소장은 2001년 세계 최초 대장내시경로봇 개발 및 2005년 상용화, 2003년 캡슐내시경 개발 및 2005년 상용화, 2010년 세계 최초 혈관치료용 마이크로로봇, 2013년 세계 최초 박테리아 나노로봇개발, 2016년 면역세포기반 마이크로로봇 등의 성과를 냈다.[36] 또 '수술로봇제어기술', '재활용 케이블로봇', '뇌수술 로봇' 등의 기술을 보유하고 있으며, 상용화를 목표로 연구 개발에 주력하고 있다. 전남대로봇연구소의 마이크로의료로봇 특허출원이 세계 1위로 독창적인 기술력을 보유하고 있다.[36] 2017년 전남대 마이크로의료로봇센터는 관절연골 치료용 줄기세포 마이크로로봇을 개발했다.[37] 전남대 연구팀은 암 치료용 '마이크로 로봇'을 최초로 개발했다.[38]

2010년 전남대학교 로봇연구소는 세계 최초로 지름 1mm, 길이 5mm의 마이크로 로봇으로 강한 혈류와 혈압이 있는 미니피그(돼지)의 막힌 혈관을 뚫는 실험에 성공했다.[41]

부경대학교 이상윤 교수는 2012년에 나노기술을 적용하여 인체의 미세한 혈관에서 자유롭게 이동가능하며 노폐물 등을 제거할 수 있는 자체 추진기 장착의 의료용 마이크로로봇을 세계 최초로 개발했다.[39] 이상윤교수는 유체가압 방식을 활용해 전자기장 방식을 넘어선 미세 컨트롤을 구현에 성공했다. 이 기술은 혈압 반대 방향으로 마이크로 로봇을 움직일 수 있으며, 기존 전자기장 방식이 가진 대부분의 문제점을 해결했다.[42]

2013년 10월에 미국 로봇산업협회장 제프리 번스타인은 한국의 의료용 로봇의 경우 전 세계적으로 앞서 가고 있다고 평가했다. 관련 전문가들은 향후 5년 안에 한국의 의료용 첨단 로봇이 세계 시장을 석권할 수 있을 것으로 기대했다.[40]

3. 2. 한국의 동향 및 투자

대한민국 지자체 중에서는 광주시가 마이크로 의료로봇 분야에 발 빠르게 대응하고 있다. 광주시는 마이크로 의료로봇센터 구축 사업에 2014년 예산으로 국비 15억원을 확보했다.[45] 현재 전남대 첨단캠퍼스에는 31평 규모의 마이크로의료로봇센터(Medical MicroRobot Center)가 유치되었다.[43] 전남대 로봇연구소에서는 혈관치료용 마이크로로봇을 사람과 비슷한 돼지의 혈관에 넣어 이동시키는 실험을 준비하였다.[44]

부경대 이상윤 교수의 마이크로로봇기술개발로 현재 한국은 혈관탐사 마이크로로봇 분야에서 경쟁국인 미국, 일본, 이스라엘보다 앞선 수준이다. 현재 한국은 의료 마이크로 나노 로봇기술에 있어, 주도국이며, 특히 혈관 마이크로 나노 로봇은 한국이 세계에서 유일하며 기술개발을 주도하고 있다.[46] 원천 기술 개발부문에서 이상윤 부경대 공간정보시스템공학과 교수는 세계 최초로 혈류를 거슬러 올라가며 구동하는 마이크로 로봇 개발에 성공했다.[47] 2012년 이상윤 교수는 나노기술을 적용하여 자체 추진기로 인체의 미세한 혈관에서 자유롭게 이동하면서 노폐물 등을 제거할 수 있는 의료용 마이크로로봇을 세계 최초로 개발했다. 이후 마이크로 로봇을 이용한 가상현실체험 관련 특허를 소개하고 2030년 무렵보다 오히려 더 빠른 시일에 가상현실체험이 가능할 수 있다고 예측하였다.[48][49]

4. 설계 고려 사항

마이크로로봇이 움직이는 방식은 목적과 필요한 크기에 따라 달라진다. 서브마이크론 크기에서는 물리적 세계가 매우 기괴한 이동 방식을 요구한다. 공중 로봇의 레이놀즈 수는 1보다 작다.[8] 점성력이 관성력보다 우세하므로 "비행"은 양력의 베르누이의 원리보다는 공기의 점성을 이용할 수 있다. 유체를 통해 이동하는 로봇은 대장균(''Escherichia coli'')의 운동 형태와 같이 회전하는 편모가 필요할 수 있다. 도약은 은밀하고 에너지 효율적이며, 로봇이 다양한 지형의 표면을 통과할 수 있게 해준다.[8] 선구적인 계산(Solem 1994)은 물리적 현실을 기반으로 가능한 동작을 검토했다.[9]

마이크로로봇 개발의 주요 과제 중 하나는 매우 제한된 전원 공급 장치를 사용하여 운동성을 확보하는 것이다. 마이크로로봇은 코인 셀과 같은 작고 가벼운 배터리 소스를 사용하거나 진동 또는 빛 에너지 형태로 주변 환경에서 전력을 얻을 수 있다.[10] 또한 마이크로로봇은 현재 편모가 있는 ''세라티아 마르세센스''(Serratia marcescens)와 같은 생물학적 모터를 동력원으로 사용하여 주변 유체로부터 화학적 에너지를 끌어와 로봇 장치를 작동시킨다. 이러한 바이오로봇은 여러 제어 방식을 통해 주화성 또는 전류주성과 같은 자극에 의해 직접 제어할 수 있다. 온보드 배터리의 대중적인 대안은 외부에서 유도된 전력을 사용하여 로봇에 전원을 공급하는 것이다. 예로는 전자기장,[11] 초음파 및 빛을 사용하여 마이크로 로봇을 활성화하고 제어하는 것이 있다.[12]

2022년 연구는 "미생물학 및 생물 의학 분야에 적용할 수 있는 광 구동 마이크로로봇 설계"에 대한 광생체 촉매 접근 방식에 초점을 맞췄다.[13][14][15]

4. 1. 물리적 환경

마이크로로봇이 움직이는 방식은 목적과 필요한 크기에 따라 달라진다. 서브마이크론 크기에서는 물리적 세계가 매우 기괴한 이동 방식을 요구한다. 공중 로봇의 레이놀즈 수는 1보다 작다.[8] 점성력이 관성력보다 우세하므로 "비행"은 양력의 베르누이의 원리보다는 공기의 점성을 이용할 수 있다. 유체를 통해 이동하는 로봇은 대장균(''Escherichia coli'')의 운동 형태와 같이 회전하는 편모가 필요할 수 있다. 도약은 은밀하고 에너지 효율적이며, 로봇이 다양한 지형의 표면을 통과할 수 있게 해준다.[8] 선구적인 계산(Solem 1994)은 물리적 현실을 기반으로 가능한 동작을 검토했다.[9]

마이크로로봇 개발의 주요 과제 중 하나는 매우 제한된 전원 공급 장치를 사용하여 운동성을 확보하는 것이다. 마이크로로봇은 코인 셀과 같은 작고 가벼운 배터리 소스를 사용하거나 진동 또는 빛 에너지 형태로 주변 환경에서 전력을 얻을 수 있다.[10] 또한 마이크로로봇은 현재 편모가 있는 ''세라티아 마르세센스''(Serratia marcescens)와 같은 생물학적 모터를 동력원으로 사용하여 주변 유체로부터 화학적 에너지를 끌어와 로봇 장치를 작동시킨다. 이러한 바이오로봇은 여러 제어 방식을 통해 주화성 또는 전류주성과 같은 자극에 의해 직접 제어할 수 있다. 온보드 배터리의 대중적인 대안은 외부에서 유도된 전력을 사용하여 로봇에 전원을 공급하는 것이다. 예로는 전자기장,[11] 초음파 및 빛을 사용하여 마이크로 로봇을 활성화하고 제어하는 것이 있다.[12]

2022년 연구는 "미생물학 및 생물 의학 분야에 적용할 수 있는 광 구동 마이크로로봇 설계"에 대한 광생체 촉매 접근 방식에 초점을 맞췄다.[13][14][15]

4. 2. 동력 및 제어

마이크로로봇이 움직이는 방식은 목적과 필요한 크기에 따라 달라진다. 서브마이크론 크기에서는 물리적 세계가 매우 기괴한 이동 방식을 요구한다. 공중 로봇의 레이놀즈 수는 1보다 작다. 점성력이 관성력보다 우세하므로 "비행"은 양력의 베르누이의 원리보다는 공기의 점성을 이용할 수 있다. 유체를 통해 이동하는 로봇은 대장균(''Escherichia coli'')의 운동 형태와 같이 회전하는 편모가 필요할 수 있다. 도약은 은밀하고 에너지 효율적이며, 로봇이 다양한 지형의 표면을 통과할 수 있게 해준다.[8] 선구적인 계산(Solem 1994)은 물리적 현실을 기반으로 가능한 동작을 검토했다.[9]

마이크로로봇 개발의 주요 과제 중 하나는 매우 제한된 전원 공급 장치를 사용하여 운동성을 확보하는 것이다. 마이크로로봇은 코인 셀과 같은 작고 가벼운 배터리 소스를 사용하거나 진동 또는 빛 에너지 형태로 주변 환경에서 전력을 얻을 수 있다.[10] 또한 마이크로로봇은 현재 편모가 있는 ''세라티아 마르세센스''(Serratia marcescens)와 같은 생물학적 모터를 동력원으로 사용하여 주변 유체로부터 화학적 에너지를 끌어와 로봇 장치를 작동시킨다. 이러한 바이오로봇은 여러 제어 방식을 통해 주화성 또는 전류주성과 같은 자극에 의해 직접 제어할 수 있다. 온보드 배터리의 대중적인 대안은 외부에서 유도된 전력을 사용하여 로봇에 전원을 공급하는 것이다. 예로는 전자기장,[11] 초음파 및 빛을 사용하여 마이크로 로봇을 활성화하고 제어하는 것이 있다.[12]

2022년 연구는 "미생물학 및 생물 의학 분야에 적용할 수 있는 광 구동 마이크로로봇 설계"에 대한 광생체 촉매 접근 방식에 초점을 맞췄다.[13][14][15]

5. 마이크로 로봇의 이동 방식

미세 로봇은 고체 표면에서 유체에 이르기까지 다양한 환경을 탐색하기 위해 다양한 이동 방법을 사용한다. 이러한 방법은 종종 생물학적 시스템에서 영감을 얻으며 미세 규모에서 효과적이도록 설계되었다.[16] 정확하고 효과적이며 효율적인 움직임을 보장하기 위해 미세 로봇 이동의 설계 및 작동 시 여러 요소를 최대화(정밀도, 속도, 안정성)하고 다른 요소는 최소화(에너지 소비, 에너지 손실)해야 한다.[17]

미세 로봇의 이동을 설명할 때 보폭 길이와 수송 비용을 포함하여 움직임을 특성화하고 평가하는 데 여러 주요 매개변수가 사용된다. 보폭은 유기체 또는 로봇이 특정 일련의 동작을 반복하여 앞으로 이동하는 데 필요한 모든 단계 또는 단계를 포함하는 완전한 이동 주기를 말한다. 보폭 길이(𝞴s)는 미세 로봇이 이동 메커니즘의 한 번의 완전한 주기에서 이동하는 거리를 의미한다. 수송 비용(CoT)은 미세 로봇의 질량 단위를 단위 거리만큼 이동하는 데 필요한 작업을 정의한다.[17]

5. 1. 표면 이동 (Surface locomotion)

표면 운동을 사용하는 마이크로로봇은 걷기, 기어가기, 구르기 또는 점프를 포함한 다양한 방식으로 이동할 수 있다. 이러한 마이크로로봇은 중력 및 마찰과 같은 다양한 문제에 직면한다. 표면 운동을 설명하는 매개변수 중 하나는 프루드 수이며, 다음과 같이 정의된다.[17]

:Fr=\frac{v^2}{g*\lambda_s}

여기서 ''v''는 이동 속도, g는 중력장, 𝞴s는 보폭이다. 낮은 프루드 수를 나타내는 마이크로로봇은 중력이 지배적이므로 더 느리고 안정적으로 움직이는 반면, 높은 프루드 수는 관성력이 더 중요하여 더 빠르고 잠재적으로 덜 안정적인 움직임을 허용함을 나타낸다.[17]

기어가는 것은 가장 일반적인 표면 운동 유형 중 하나이다. 기어가는 마이크로로봇이 사용하는 메커니즘은 다를 수 있지만 일반적으로 여러 다리 또는 부속물의 동기화된 움직임을 포함한다. 마이크로로봇의 움직임 메커니즘은 곤충, 파충류 및 작은 포유류와 같은 동물에서 영감을 받는 경우가 많다. 기어가는 마이크로로봇의 예로는 RoBeetle이 있다. 이 자율 마이크로로봇의 무게는 88밀리그램(쌀알 3개 정도의 무게)이다. 이 로봇은 메탄올의 촉매 연소로 구동된다. 이 설계는 제어 가능한 NiTi-Pt 기반 촉매 인공 근육과 기계적 제어 메커니즘에 의존한다.[18]

마이크로로봇의 표면 운동을 작동시키는 다른 옵션으로는 자기, 전자기, 압전, 정전기 및 광학 작동이 있다.

5. 2. 유체 내 이동 (Swimming locomotion)

수영하는 마이크로로봇은 생체 유체나 물과 같은 3차원 유체 환경에서 작동하도록 설계되었다. 효과적인 움직임을 위해 편모 추진, 당기기, 화학 추진, 제트 추진 및 꼬리 물결치기와 같은 작은 수생 동물 또는 미생물에서 운동 전략이 채택된다. 앞으로 이동하기 위해 수영하는 마이크로로봇은 물을 뒤로 밀어내야 한다.[17]

마이크로로봇은 작은 크기와 낮은 작동 속도, 그리고 항해하는 유체의 높은 점성으로 인해 낮은 레이놀즈 수 영역에서 움직인다. 이 수준에서 점성력은 관성력보다 우세하다. 낮은 레이놀즈 수는 또한 정확한 움직임을 가능하게 하며, 이는 의학, 미세 조작 작업 및 환경 모니터링에 좋은 응용 분야가 된다.[16][17]

로봇에 지배적인 점성 (스토크스) 항력 Tdrag은 수영 메커니즘에 의해 생성된 추진력 Fp와 균형을 이룬다.

:T=T_(drag)=\frac{bv}{m}

여기서 b는 점성 항력 계수, v는 이동 속도, m은 신체 질량이다.[17]

나선형 자기 마이크로로봇은 나선형 꼬리와 자기 헤드 바디로 구성되어 있으며, 박테리아의 편모 운동에서 영감을 받은 디자인이다. 저강도 회전 자기장 내에서 나선형 마이크로로봇에 자기 토크를 가하면 회전이 선형 운동으로 변환될 수 있다. 외부 자기장을 변경하면 나선형 마이크로로봇의 이동 방향을 쉽게 반전시킬 수 있다.[19]

5. 3. 공기-유체 계면 이동 (At Air-Fluid Interface locomotion)

마이크로로봇은 공기-유체 계면에서 표면 장력과 모세관 운동에 의해 제공되는 힘을 활용할 수 있다. 공기와 액체(대부분 물)가 만나는 지점에서 표면 장력은 마이크로로봇의 무게를 지탱할 수 있는 계면을 형성한다. 액체 분자 간의 응집력은 표면 장력을 생성하며, 이는 물 표면에 '막'을 만들어 마이크로로봇이 가라앉는 대신 떠다닐 수 있게 한다. 이러한 개념을 통해 마이크로로봇은 공기-유체 계면의 특성을 활용하여 등반, 보행, 부상, 부유, 심지어 점프와 같은 특정 운동 기능을 수행할 수 있다.[17][20]

표면 장력 σ, 부력 Fb, 곡률력 Fc는 마이크로로봇이 액체 표면에 뜨거나 가라앉는지를 결정하는 데 가장 중요한 역할을 한다. 이는 다음과 같이 표현할 수 있다.

\sigma=F_b+F_c

Fb는 물과 접촉하는 물체의 면적에 대한 정수압을 적분하여 얻는다. 반면, Fc는 이 면적에 대한 곡률 압력을 적분하거나, 또는 접촉 둘레를 따라 표면 장력의 수직 성분 \sigma\sin\theta를 적분하여 얻는다.[21]

공기-유체 운동을 활용하는 등반 및 보행 마이크로로봇의 한 예로, 하버드 보행 마이크로로봇(HAMR-E)이 있다.[22] HAMR-E는 전기 접착 시스템을 통해 수평, 수직 및 뒤집힌 평면에서 움직일 수 있다. 이는 전기장을 사용하여 정전기적 인력을 생성하여 로봇이 다양한 표면에 달라붙어 움직일 수 있게 한다.[23] 네 개의 탄성 있는 전기 접착 발판을 갖춘 HAMR-E는 유리, 나무, 금속을 포함한 다양한 기질 위에서 안전하게 잡고 미끄러질 수 있다.[22] 이 로봇은 슬림한 몸체를 가지고 있으며 완전히 포즈를 취할 수 있어 복잡한 움직임을 수행하고 어떤 표면에서도 균형을 잡기 쉽다.

5. 4. 비행 (Flying locomotion)

비행 마이크로로봇은 곤충과 새의 비행 메커니즘을 모방하여 공중에서 작동하도록 세심하게 설계된 소형 로봇 시스템이다. 이러한 마이크로로봇은 대부분의 공기역학 이론을 수정해야 하는 작은 규모에서 달성하기 어려운 양력, 추력 및 이동과 관련된 문제를 극복해야 한다. 능동 비행은 마이크로로봇이 자체적으로 앞으로 추진하는 동시에 자체 무게를 들어올려야 하므로 에너지 소비가 가장 많은 이동 방식이다.[17] 이러한 기능을 달성하기 위해, 이 마이크로로봇은 곤충 날개의 움직임을 모방하고 양력과 추력을 생성하는 데 필요한 기류를 생성한다. 로봇의 소형 날개는 날개 운동학 및 비행 역학을 더 잘 제어할 수 있는 압전 재료로 작동된다.[24]

날개짓으로 호버링을 유지하는 데 필요한 공기역학적 동력을 계산하기 위한 주요 물리 방정식은 다음과 같다.

:mg=2*\rho*l^2*\phi*\upsilon_i^2

여기서 m은 몸체 질량, L은 날개 길이, Φ는 라디안 단위의 날개짓 진폭, ρ는 공기 밀도, Vi는 날개짓 및 회전 운동의 결과인 몸체 주변의 유도 공기 속도에 해당한다. 이 방정식은 작은 곤충 또는 로봇 장치가 자체 무게를 상쇄하기 위해 주변 공기에 충분한 운동량을 전달해야 함을 보여준다.[25]

비행 이동을 활용하는 비행 마이크로로봇의 예로는 RoboBee 및 DelFly Nimble이 있다.[26][27] 하버드 대학교는 벌의 비행을 모방한 소형 로봇인 RoboBee를 발명했으며, 벌처럼 이착륙하고 좁은 공간에서 움직인다. 이것은 자동 운전 수분 및 실종된 사람과 물건을 찾는 데 사용될 수 있다. 델프트 공과대학교에서 개발한 DelFly Nimble은 최소 무게와 첨단 제어 메커니즘으로 인해 다양한 트릭을 수행하여 초파리의 기동성을 모방할 수 있는 가장 민첩한 소형 공중 차량 중 하나이다.[26][27]

6. 종류 및 응용 분야

마이크로봇은 크기가 작아 잠재적으로 매우 저렴하며, 사람이나 더 큰 로봇에게 너무 작거나 위험한 환경을 탐사하기 위해 대규모(군집 로봇 공학)로 사용될 수 있다. 지진 발생 후 붕괴된 건물에서 생존자를 찾거나 소화관을 기어 다니는 등 마이크로봇이 유용하게 사용될 것으로 예상된다. 마이크로봇은 힘이나 계산 능력이 부족하지만, 대규모의 마이크로봇 군집과 같이 많은 숫자를 사용하여 이를 보완할 수 있다.

6. 1. 개요

6. 2. 의료용 마이크로 로봇 (Medical microbots)

폐와 위장관 내의 표적 약물 전달을 위한 생체 적합성 미세조류 기반 마이크로로봇이 있다.[28][29][30] 쥐를 대상으로 시험을 거친 암[32][33]과 싸우기 위한 '정밀 표적'을 위한 자기 유도된 엔지니어링된 박테리아 마이크로봇이 있다.[31]

참조

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[49] 기사 가상현실과 현실을 구분할 수 없다면? 가상현실 눈앞으로 다가오다 (3)글 변지민 (과학동아 기자) http://m.navercast.n[...]


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