영화 터미네이터처럼…‘껍질 두른 물방울’ 액체로봇 개발

<span style="color: rgb(0, 184, 177);">곽노필의 미래창</span>
국내 연구진 개발
살아 있는 세포처럼 변형·분리·결합
몸 속에 약물 전달 등 치료용 기대

서울대와 가천대 공동연구진이 개발한 액체 로봇. 서로 다른 물질을 포획한 액체 로봇이 낙하 후 하나로 합쳐져 로봇 내부에서 화학 반응을 유도하는 과정을 묘사한 그림이다. 서울대 공대 제공

나노로봇은 질병 치료나 환경 오염 물질 제거, 초정밀 제조 등 다양한 분야에서 막대한 잠재력을 가진 기술로 주목받고 있지만 아직 갈 길이 멀다. 10억분의 1m 크기의 초소형 로봇을 움직이는 필요한 동력과 제어기술과 생체 적합성 등 해결해야 할 기술적 과제가 산더미다.

국내 연구진이 나노로봇이 구현되기 전에 몸속에서 작동할 수 있는 액체 로봇 기술을 선보였다. 서울대와 가천대 연구진은 주변 환경에 맞춰 모양을 자유자재로 바꾸며 이동할 수 있는 액체 로봇 ‘피비’(PB)를 개발해 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스’에 발표했다. 피비는 ‘입자를 두른 액체 로봇’(Particle-armored liquid roBot)이란 뜻이다.

이 로봇은 물 분자와 잘 결합하지 않는 소수성 입자 알갱이가 액체 방울을 감싸는 구조로 이뤄져 있다. 따라서 주변 환경에 따라 모양이 변하는 액체의 성질과 구조를 안정적으로 유지시키는 고체의 성질을 모두 갖고 있다. 따라서 심하게 눌리거나 높은 곳에서 떨어져도 원래 모습으로 복원될 수 있다.

영화 ‘터미네이터 2’의 T100(왼쪽)처럼 액체 로봇이 철창 사이를 통과하고 외부 물질을 포획하는 모습(오른쪽). 서울대 공대 제공

액체 로봇은 세포와 비슷한 구조다. 세포도 지질 껍질(세포막)과 그 안의 물질(세포질과 핵)로 이뤄져 있다. 또 세포처럼 변형, 분리, 합체할 수 있다. 논문 제1저자인 전효빈 연구원은 “처음엔 기존 액체 로봇처럼 물방울을 입자로 감싸는 방법을 생각했다”며 “그러다 발상을 바꿔 표면적이 훨씬 큰 USB-C 플러그 크기와 모양의 각얼음을 입자로 감싼 후 녹이는 방식을 써서 로봇의 안정성을 크게 높일 수 있었다”고 말했다.

그 결과 표면적이 더 크고 강하고 길쭉한 액체로봇이 만들어졌다. 얼음은 물보다 부피가 크다. 따라서 큐브가 녹으면서 부피가 줄어들면 입자가 물방울 표면에 더 쌓여 훨씬 더 강한 보호막이 만들어진다.

이전에도 액체 로봇은 선보인 적이 있다. 그러나 온도 변화나 외부 충격에 민감하게 반응해 내부의 물질이 쉽게 누출됐다. 이번에 개발한 입자 알갱이는 이 약점을 극복했다. 연구진은 입자가 많을수록 껍질이 더 단단해져 내구성이 좋아진다는 걸 발견하고 과하지도, 덜하지도 않은 최적의 입자 수와 물의 최적 비율을 찾아냈다.

액체 로봇이 수면 위를 이동해 외부 물질을 포획한 후, 원래 위치로 복귀하는 모습. 서울대 공대 제공

뛰어난 유연성으로 다양한 용도 활용 가능

연구진은 여러 가지 실험을 통해 이 로봇의 다양한 기능을 확인했다. 예컨대 로봇은 영화 터미네이터2에 등장하는 액체로봇 T100처럼 철창 사이를 빠져나가는 유연성을 발휘했다. 또 외부 물질을 포획해 내부로 흡수한 후 이를 운반할 수도 있고 여러 개의 로봇이 결합할 수도 있다.

이런 기능을 활용하면 암세포를 죽이는 약물을 이 로봇에 담아 몸 안에 투입하는 등 질병 치료용으로 쓸 수 있다. 또 매우 좁은 공간을 통과할 수 있는 능력을 이용하면 복잡한 기계 내부, 험준한 지형의 장애물 사이, 재난 지역의 탐사, 청소, 화학 물질 제거용으로도 쓸 수 있다.

작은 화학 반응기로 쓰는 것도 가능하다. 각기 다른 화학물질을 적재한 두 로봇을 떨어뜨리면 두 로봇 속의 화학물질이 테프론 껍질 내부에서 만나 화학반응이 일어날 수 있다.

연구진은 “실험을 통해 액체 로봇이 이런 작업을 연속적으로 수행할 수 있음을 입증했다”며 “초음파를 이용해 원하는 속도로 이동시킬 수 있는 기술도 함께 개발했다”고 밝혔다.

연구를 이끈 김호영 교수는 “앞으로 음파나 전기장을 사용해 액체 로봇의 모양을 자유자재로 바꾸는 기술을 개발 중”이라고 말했다.

*논문 정보

Particle-armored liquid robots.

DOI: 10.1126/sciadv.adt5888

곽노필 선임기자 nopil@hani.co.kr