MIT 엔지니어들이 설계한 작은 배터리는 세포 크기의 자율 로봇을 인체 내에서 약물을 전달하는 데 활용할 수 있을 뿐만 아니라 가스 파이프라인의 누출을 찾는 것과 같은 다른 응용 분야에도 활용할 수 있습니다.
길이가 0.1mm이고 두께가 0.002mm인 새로운 배터리는 인간 머리카락 두께와 거의 비슷한데, 공기에서 산소를 포집하여 아연을 산화시켜 최대 1볼트의 전위를 가진 전류를 생성할 수 있습니다. 이는 작은 회로, 센서 또는 액추에이터에 전원을 공급하기에 충분하다고 연구자들은 밝혔습니다.
MIT의 화학공학과 Carbon P. Dubbs 교수이자 이 연구의 수석 저자인 마이클 스트라노는 “이것이 로봇공학에 매우 유용할 것이라고 생각합니다.”라고 말합니다. “우리는 배터리에 로봇 기능을 구축하고 이러한 구성 요소를 기기에 조립하기 시작했습니다.”
Ge Zhang 박사(22년)와 MIT 대학원생 Sungyun Yang이 이 논문의 주저자입니다. 과학 로봇공학.
배터리로 구동
Strano의 연구실은 수년 동안 주변 환경의 자극을 감지하고 반응할 수 있는 작은 로봇을 개발해 왔습니다. 이러한 작은 로봇을 개발하는 데 있어 가장 큰 과제 중 하나는 로봇에 충분한 전력이 있는지 확인하는 것입니다.
다른 연구자들은 태양열을 사용하여 마이크로스케일 장치에 전원을 공급할 수 있다는 것을 보여주었지만, 이 접근 방식의 한계는 로봇이 항상 레이저나 다른 광원을 향해야 한다는 것입니다. 이러한 장치는 외부 전원으로 제어되기 때문에 “마리오네트”로 알려져 있습니다. 이러한 작은 장치 내부에 배터리와 같은 전원을 넣으면 훨씬 더 멀리 돌아다닐 수 있습니다.
“마리오네트 시스템은 실제로 배터리가 필요하지 않습니다. 왜냐하면 외부에서 필요한 모든 에너지를 얻기 때문입니다.” 스트라노가 말합니다. “하지만 작은 로봇이 다른 방법으로는 접근할 수 없는 공간에 들어갈 수 있게 하려면 더 높은 수준의 자율성이 필요합니다. 외부 세계에 묶여 있지 않은 것에는 배터리가 필수적입니다.”
더욱 자율적으로 될 수 있는 로봇을 만들기 위해 Strano의 연구실은 아연-공기 배터리라고 알려진 유형의 배터리를 사용하기로 결정했습니다. 높은 에너지 밀도로 인해 다른 많은 유형의 배터리보다 수명이 긴 이 배터리는 종종 보청기에 사용됩니다.
그들이 설계한 배터리는 백금 전극에 연결된 아연 전극으로 구성되어 있으며, 이 전극은 마이크로 전자공학에 일반적으로 사용되는 SU-8이라는 폴리머 스트립에 매립되어 있습니다. 이 전극이 공기 중의 산소 분자와 상호 작용하면 아연이 산화되어 전자를 방출하고, 이 전자는 백금 전극으로 흘러 전류를 생성합니다.
이 연구에서 연구자들은 이 배터리가 액추에이터(이 경우 올리고 내릴 수 있는 로봇 팔)에 전력을 공급할 만큼 충분한 에너지를 제공할 수 있음을 보여주었습니다. 이 배터리는 또한 전기 저항을 변경하여 이벤트의 기억을 저장할 수 있는 전기 부품인 멤리스터와 로봇 장치가 시간을 추적할 수 있게 해주는 시계 회로에 전력을 공급할 수 있습니다.
배터리는 또한 환경에서 화학 물질을 만나면 전기 저항을 변경하는 두 가지 다른 유형의 센서를 작동시키기에 충분한 전력을 제공합니다. 센서 중 하나는 원자적으로 얇은 이황화 몰리브덴으로 만들어졌고 다른 하나는 탄소 나노튜브로 만들어졌습니다.
Strano는 “우리는 세포 수준에서 기능을 구축하기 위해 기본적인 구성 요소를 만들고 있습니다.”라고 말합니다.
로봇 떼
이번 연구에서 연구진은 배터리를 외부 장치에 연결하기 위해 전선을 사용했지만, 향후 연구에서는 배터리가 장치에 통합된 로봇을 제작할 계획입니다.
“이것은 우리의 많은 로봇 노력의 핵심이 될 것입니다.” 스트라노가 말했습니다. “배터리를 중심으로 전기 자동차를 만들 수 있는 것처럼, 에너지원을 중심으로 로봇을 만들 수 있습니다.”
그러한 노력 중 하나는 인체에 주입하여 표적 부위를 찾은 다음 인슐린과 같은 약물을 방출할 수 있는 작은 로봇을 설계하는 것입니다. 인체에 사용하기 위해 연구자들은 이 장치가 더 이상 필요하지 않으면 분해되는 생체적합성 소재로 만들어질 것이라고 생각합니다.
연구원들은 배터리 전압을 높이는 방법도 연구하고 있으며, 이를 통해 추가적인 응용 분야가 가능할 것으로 기대합니다.
이 연구는 미국 육군 연구실, 미국 에너지부, 국가과학재단 및 MathWorks 엔지니어링 펠로우십의 지원을 받아 진행되었습니다.
