자가치유 마이크로봇: 의학에서 군사적 활용까지

펜실베이니아 주립대 엔지니어팀이 자가치유 마이크로봇 무리를 만들고 제어하는 ​​간단한 방법을 개발했습니다. 이 과학은 자연에서 영감을 받아 음향 신호를 생성하고 기록할 수 있는 간단한 마이크로봇 설계와 결합했습니다. 이러한 접근 방식은 벌을 비롯한 곤충들이 음파를 이용하여 큰 무리를 형성하는 방식과 유사합니다. 알아두어야 할 사항은 다음과 같습니다.

마이크로봇이란 무엇이며 어떻게 작동합니까?

일반 사람들은 로봇을 떠올릴 때 산업 및 군사용 로봇을 떠올릴 가능성이 높습니다. 하지만 이러한 로봇 장치 중 점점 더 많은 수가 의료 재난 구호 분야. 이러한 장치는 종종 훨씬 작으며, 나노 단위의 작은 크기 때문에 마이크로로봇이라고 불립니다. 특히 많은 과학자들은 이 작은 로봇들이 무리 지어 협력하여 중요한 작업을 수행하는 미래를 예상합니다.

군집 마이크로봇 기술 개발의 과제

마이크로봇의 발전을 가로막는 몇 가지 문제가 있습니다. 주요 제한 요소 중 하나는 크기였습니다. 그러나 오늘날 엔지니어와 개발자들은 이 작고 복잡한 기계를 제작할 수 있는 여러 가지 방법을 개발하고 있습니다.

또 다른 문제는 이러한 미세한 장치들을 어떻게 제어할지 알아내는 것입니다. 과거에는 화학적 의사소통 방식을 주로 사용했습니다. 이는 개미처럼 자연에서 많은 곤충과 동물들이 찾고 조직하는 데 사용하는 방식입니다. 하지만 이 방식에는 한계가 있습니다.

예를 들어, 화학적 신호 전달은 되돌릴 수 없습니다. 화학 물질이 방출되면 환경에서 모두 회수할 수 없습니다. 따라서 유닛을 수집하거나 타겟팅하는 데에만 사용할 수 있습니다. 또한, 화학적 신호는 거리에 제약을 받으며 다른 형태의 의사소통에 비해 전달 속도가 훨씬 느립니다.

활성 물질 시스템

군집의 심리와 전략을 이해하는 학문은 '활성 물질'이라는 학문 분야입니다. 활성 물질 전문가들은 수년간 미세한 생물학적 군집과 합성 군집을 연구해 왔습니다. 그들의 목표는 이 거대한 집단이 위협 감지 및 자원 탐색과 같은 작업을 위해 어떻게 협력하는지 이해하는 것입니다.

자연 무리의 음향 통신

활성 물질 공학자들은 박쥐를 비롯한 여러 종들이 오랫동안 음향 신호를 이용해 중요한 정보를 전달해 왔다는 점에 주목했습니다. 고래는 음파를 이용하여 먼 거리에서도 소통하는 또 다른 동물입니다. 놀랍게도 혹등고래와 같은 동물들은 최대 1,000km(XNUMXkm) 떨어진 곳에서도 음향을 이용하여 소통하는 것으로 기록되었습니다.

펜실베이니아 주립대, 음향 제어 자가 치유 마이크로봇 연구

종이¹ "음향 신호는 활성 물질 시스템에서 집단적 인식과 제어를 가능하게 합니다.과학 저널 APS에 게재된 ""는 음향학을 통합하여 마이크로닉 군집을 제어하는 최초의 과학 연구입니다. 따라서 이는 마이크로로봇공학의 중요한 이정표입니다.

출처 - APS

자연이 수천 년에 걸쳐 특정 작업을 수행하는 가장 효과적인 방법으로 진화해 왔다는 사실을 깨달은 펜실베이니아 주립대 과학자들은 로봇 무리를 제어하기 위한 음파 통신 시스템을 개발하기로 했습니다. 연구진은 벌들이 서로를 찾고 연결을 유지하기 위해 음파를 어떻게 활용하는지 설명하는 것으로 연구를 시작했습니다.

자가치유 마이크로봇의 컴퓨터 시뮬레이션 모델

연구팀은 실제 마이크로봇을 만드는 대신, 입자 기반 모델과 필드 기반 모델 모두에서 특정 조건에서 이러한 장치가 겪을 행동을 복제하는 복잡한 컴퓨터 모델을 만들었습니다.

자가 치유 마이크로봇 에이전트

컴퓨터 모델은 에이전트(agent)라고 불리는 단순한 마이크로봇을 기반으로 합니다. 이 작은 디지털 장치는 간단한 전자 회로의 동작을 모방하도록 설계되었습니다. 회로에는 음향 발진기와 마이크가 포함되어 있습니다. 또한, 이 장치에는 움직임을 통해 소리에 반응할 수 있도록 하는 소형 모터가 내장되어 있습니다.

마이크로봇 제어를 위한 음향 신호 시스템

엔지니어들은 로봇에게 간단한 명령을 전달할 수 있는 음향 신호 시스템을 개발했습니다. 구체적으로, 음파는 조립, 이동, 통신 등 세 가지 동작을 유발했습니다. 연구팀은 이 시스템의 즉각적인 이점을 발견했는데, 그중 하나는 음파가 기존 마이크로봇 제어 시스템에 사용된 화학 시스템보다 훨씬 빠르게 전파된다는 점이었습니다.

음향 제어 마이크로봇 행동을 위한 핵심 규칙

흥미롭게도, 에이전트들은 단 두 가지 규칙으로 프로그래밍되었습니다. 첫 번째 규칙은 장치가 가장 큰 소리가 나는 쪽으로 이동해야 한다는 것입니다. 두 번째 규칙은 장치가 생성하는 소리를 변경합니다. 특히, 장치가 생성하는 소리는 수신하는 입력파에 따라 달라지며, 각 장치는 무리의 반복적인 안테나 역할을 합니다.

자가치유형 마이크로봇 시뮬레이션 테스트 결과

엔지니어들은 계산 에이전트를 테스트하기 위해 컴퓨터 모델 환경 내에서 여러 가지 작업을 구성했습니다. 첫 번째 테스트는 로봇들이 군집을 이룰 수 있는지, 그리고 로봇들이 함께 모여 특정 위치로 이동하거나 작업을 완료하는 과정에서 어떤 행동을 보이는지 확인하는 것이었습니다.

시뮬레이션된 마이크로봇 군집의 자기 조직화 행동

엔지니어들은 마이크로로봇이 무리를 지어 스스로 조직화하는 능력을 시험해야 했습니다. 그들은 특정 음파를 이용하여 무리 행동을 유발함으로써 이 과제를 달성했고, 엔지니어들은 이를 원시적인 집단 지능이라고 묘사했습니다.

특히, 각 장치는 감지한 소리에 따라 동작을 변경했습니다. 엔지니어들이 무리를 이루기 위해 로봇들을 가장 큰 주파수 쪽으로 이동시킨 다음, 그 주파수를 복제했습니다. 이 단계는 각 로봇이 음향장을 조정하여 다른 로봇들을 끌어들이는 의도된 효과를 냈습니다.

흥미롭게도, 엔지니어들은 연구에서 몇 가지 독특한 결과를 발견했습니다. 첫째, 그들은 응집력의 초기 단계와 집단 지성의 초기 단계를 기록할 수 있었습니다. 그들은 지능과 유사한 행동이 무리가 기동을 조율하고 함께 일할 수 있게 해 준다는 점에 주목했습니다.

마이크로로봇들은 음파에 따라 여러 가지 다른 모양으로 재편성될 수 있었습니다. 뱀과 같은 모양은 로봇 무리가 꿈틀거리면서도 스스로 추진할 수 있도록 했습니다. 회전하는 고리 모양도 흥미로운 모양이었습니다. 엔지니어들은 로봇 무리의 응집력, 다기능성, 그리고 작업 처리 능력을 향상시키기 위해 내부 발진기 상태를 동기화할 수 있다는 점에 주목했습니다.

엔지니어들은 환경 감지에 관한 추가 규칙을 프로그래밍하여 모양을 바꿀 수 있다는 점에 주목했습니다. 그들은 개별 로봇들이 어떻게 협력하여 장애물을 극복하는지 기록했습니다. 로봇들이 서로 떨어져 있어도, 로봇 무리는 새로운 모양으로 변형되었다가 장애물을 통과하면 원래 모습으로 스스로 회복할 수 있었습니다.

음향 제어 자가 치유 마이크로봇의 주요 이점

이 연구는 마이크로봇 분야에 여러 가지 이점을 제공합니다. 첫째, 단순한 로봇 설계가 음파만을 가이드로 사용하여 복잡한 군집 작업을 어떻게 수행할 수 있는지 보여줍니다. 따라서 이 연구는 다른 통신 수단보다 음파가 더 안정적이고 포착하기 쉽다는 점에서 마이크로봇의 발전을 촉진합니다.

비용 효율적인 마이크로봇을 위한 간단한 설계

이 연구는 또한 최소한의 복잡성으로 간단하고 저렴한 마이크로 로봇을 제작하면서도 군집 작업을 수행할 수 있는 방법을 보여줍니다. 이러한 장치는 디지털 방식으로만 제작되었지만, 실제로 제작하는 데는 매우 저렴할 것입니다. 엔지니어가 마이크, 스피커, 발진기만 남기고 장치를 최소화하기로 한 결정은 마이크로 로봇이 지나치게 복잡할 필요가 없다는 것을 보여줍니다.

저렴한 비용

단순한 설계의 또 다른 장점은 제작 비용이 저렴하다는 것입니다. 이 연구에서 사용된 이론적 장치는 첨단 기계를 사용하지 않고도 몇 센트의 비용으로 제작될 수 있습니다. 따라서 대규모 산업 운영을 비롯한 다양한 분야에 활용될 수 있습니다.

마이크로봇이 좁은 공간을 탐색하는 방법: 주요 장점

음향 마이크로봇의 자가 치유 및 조직화 특성 덕분에 이 로봇들은 다른 로봇들이 갈 수 없는 곳까지 이동할 수 있습니다. 이 로봇들은 좁은 공간을 통과하거나 우회하는 데 필요한 어떤 형태로든 변형될 수 있습니다. 이 로봇들은 거의 한 비트 두께로 줄어들어 작은 틈을 통과한 후 반대편에서 다시 재형성될 수 있습니다.

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자가 치유 마이크로봇: 실제 적용 분야

이 기술은 다양한 분야에 활용될 수 있습니다. 마이크로로봇공학은 빠르게 성장하는 분야로, 언젠가 전 세계 주요 과학을 뒤바꿀 것입니다. 센서 응용 분야부터 환경 안전 확보까지, 이 기술은 세상에 다양한 이점을 제공할 것입니다. 음향 마이크로로봇의 주요 활용 분야를 소개합니다.

마이크로봇 군집을 위한 수색 및 구조 애플리케이션

수색 및 구조 작업은 추가 부상으로 이어질 수 있는 위험한 작업입니다. 많은 경우, 사람을 찾고 구조하는 것이 애초에 그 상황에 처하게 된 이유보다 더 위험합니다. 따라서 기술을 활용하여 도움이 필요한 사람들을 최대한 빨리 찾는 것이 매우 중요합니다.

마이크로봇 군집은 이러한 작업에 이상적입니다. 우선, 해당 지역의 환경 조건을 감지하여 추가 부상을 방지하도록 설정할 수 있습니다. 또한, 이 장치는 다른 로봇이 절대 들어갈 수 없는 곳까지 들어갈 수 있습니다. 더 나아가, 더 큰 장치가 필요한 작업을 수행하도록 변형될 수도 있습니다.

마이크로봇 기술을 활용한 환경 모니터링

마이크로봇은 대기와 바다를 깨끗하게 유지하는 데 도움을 줄 것입니다. 이 장치들은 언젠가 중요한 환경 데이터를 모니터링하도록 설치될 것입니다. 이러한 시스템은 산업 단지 주변의 대기 오염, 수로의 플라스틱 폐기물 등을 감지하는 데 사용될 수 있습니다.

의료 응용 분야: 표적 마이크로봇 치료

마이크로봇은 의료 산업에서 상당한 발전을 이루었습니다. 마이크로봇은 특정 질환이나 치료하기 어려운 것으로 악명 높은 신체 부위를 표적으로 삼는 데 사용될 수 있습니다. 예를 들어, 마이크로봇은 간(肝)에 특정 부위에 약물을 투여할 수 있습니다. 하지만 간은 치료 효과가 나타나기 전에 약물을 체외로 배출하는 경향이 있어 이 작업은 전통적으로 매우 어렵습니다.

마이크로봇 군집의 군사 및 방어 활용

이 기술은 여러 군사적 용도로 활용될 수 있습니다. 소형 로봇 군집은 위협 감지 시나리오 및 캠프 보안에 활용될 수 있습니다. 또한 적 시설 공격이나 통신 시스템 교란과 같은 공격적인 임무에도 활용할 수 있습니다.

자가치유형 마이크로봇 기술 개발 일정

이 기술은 향후 10년 안에 상용화될 것으로 예상됩니다. 하지만 특정 작업을 위해 이러한 기기를 어떻게 제어할지에 대한 연구는 아직 더 진행되어야 합니다. 또한, 특히 의료 관련 업무를 포함한 많은 애플리케이션에 대한 승인도 필요할 것입니다.

자가치유 마이크로봇 연구를 진행하는 펜실베이니아 주립대 연구원들

펜실베이니아 주립대학교는 자가치유 마이크로봇 군집 연구를 주최했습니다. 이 논문에는 알렉산더 지프케, 이반 마리셰프, 이고르 아란손, 어윈 프레이가 주요 연구자로 언급되어 있습니다. 또한, 존 템플턴 재단이 마이크로봇 연구에 자금을 지원했습니다.

자가치유형 마이크로봇의 미래 연구 방향

자가 치유 마이크로봇의 미래는 밝습니다. 연구자들이 음향 신호를 포착하고 복제하는 더 나은 방법을 개발함에 따라 이러한 기기들은 더욱 똑똑해질 것입니다. 엔지니어들은 이제 로봇에 더 많은 기능과 간섭에 대한 복원력을 제공하기 위해 노력할 것입니다.

로봇공학에 투자하다

로봇 산업을 장악하려는 혁신적인 기업들이 여러 곳 있습니다. 이 기업들은 인간이 하기에는 너무 평범하거나 불가능한 작업을 수행할 수 있는 기기를 개발하는 데 수십억 달러를 투자해 왔습니다. 혁신적인 접근 방식과 제품을 통해 꾸준히 큰 반향을 일으키고 있는 한 기업을 소개합니다.

마이크로봇메디컬(주)

마이크로봇메디컬(주) (MBOT ) 2010년 시장에 진출했습니다. 이스라엘에서 설립된 후 매사추세츠로 이전했습니다. 설립자 하렐 가돗은 자신의 의료 경험을 첨단 로봇 기술과 결합하여 가장 시급한 건강 문제들을 해결하고자 했습니다.

오늘날 Microbot Medical Inc.는 환자 치료 결과 개선을 위해 설계된 마이크로봇 기기 분야의 선도적인 공급업체입니다. 이 제품들은 환자가 특정 신경혈관 및 심혈관 질환 치료를 위한 최소 침습 시술을 받을 수 있도록 지원합니다.