2023년 나노로봇의 미래

개요

자연재해로 인해 폐허 아래에 갇혀 있다가 바위 아래에서 바퀴벌레가 기어나오는 상황을 상상해보십시오. 몇 분 후, 폐허가 제거되고 당신은 안전하게 구조됩니다. 잠깐, 바퀴벌레가 당신의 생명을 구했나요? 정확히 말하자면 그렇지 않습니다. 일본의 연구자들이 지진 후 폐허 아래에 갇힌 생존자들을 찾기 위해 사이보그 바퀴벌레를 실제로 만들었지만, 우리가 말하고자 하는 것은 그것이 아닙니다. 우리가 이야기하고자 하는 것은 마이크로봇 - 사람들이 도달할 수 없는 공간에 도달하기 위해 벌레와 같은 작은 생물의 움직임을 복제하도록 설계된 작은 로봇들에 대한 것입니다. 이것은 검색 및 구조, 검사, 심지어 우주 탐사에 이르기까지 모든 것에 사용됩니다.

마이크로봇은 주로 질병을 모니터링하고 치료하기 위해 진단 및 표적 치료제를 개발하는 생명공학 산업에서 가장 일반적으로 사용됩니다. 그러나 그들은 환경 모니터링, 토양 복원, 농업 연구, 제트 엔진 검사, 검색 및 구조에도 사용되었습니다. 뿐만 아니라 - 이 기술이 지난 몇 년 동안 빠르게 발전함에 따라 그들은 훨씬 더 많은 일에 사용될 예정입니다. 이 보고서에서는 작은 로봇이 어떻게 작동하고 무엇을 할 수 있는지, 그리고 이 기술로 인해 곧 해제될 가장 놀라운 기회에 대해 다룹니다.

현재 소형 로봇들이 할 수 있는 일

자동차 조립 라인에서 사용되는 거대한 로봇 팔들을 모두 알고 있습니다. 반면에, 소형 로봇들은 비산업적이고 유연성이 없는 장난감이라는 오해가 있습니다. 그러나 많은 산업 제조업체들은 자동차 전자 제어 유닛, 휴대폰, 의료 기기, 인쇄 회로 보드, 주사기를 대량 생산하고 조립하기 위해 소형 로봇을 사용합니다.

벤치탑 로봇들은 뜨개질, 기계 관리, 부품 공급, 테스트, 검사 작업에 사용되며, 조립 라인에서 접착제를 분사하고, 부품을 연마하고, 나사를 조이고, 부품을 납땜할 수 있습니다. 이러한 소형 로봇들은 일반적으로 500 밀리미터 이하의 도달 범위와 3 킬로그램 이하의 페이로드 용량으로 분류됩니다. 한 벤치탑 유닛은 단지 12 인치 높이로, 손바닥 크기의 베이스를 가지고 있으며 5 킬로그램 미만의 무게를 가지고 있습니다. 또 다른 것은 [link url="https://www.youtube.com/watch?v=EBBdGAi8hYk"]8.5 x 11 인치 종이 크기와 같습니다.

그리고 MiGriBot - 미니어처 그리퍼 로봇이 있습니다. MiGriBot은 세계에서 가장 빠른 마이크로봇입니다. 이것은 마이크로미터의 정확도로 분당 720번의 미세한 물체를 잡고 움직일 수 있습니다. 이것은 미터의 백만분의 일입니다. 이 MiGriBots들은 곧 마이크로 팩토리를 위한 미니 조립 라인을 만드는 데 사용될 것입니다.그들은 스마트폰, 컴퓨터 또는 나노센서와 같은 나노기술을 위한 마이크로 전자제품을 조립할 것입니다. 이러한 센서는 독성 화학물질이나 암세포를 감지하는 데 사용됩니다. 또한, 대형 팔이 필요하지 않은 대량 생산 능력은 전력을 대규모로 절약할 수 있습니다.

MiGriBot이 작다고 생각했다면... 가장 작은 원격 제어 걷는 로봇인 피키를 만나보세요. 피키는 벼룩보다 작은 반 밀리미터 크기입니다. 피키토 크랩에서 영감을 받아 개발되었으며, 굽히고, 기어가고, 비틀고, 점프할 수 있습니다. 이러한 마이크로봇들은 작은 구조물을 수리하거나 작은 기계를 조립하는 데 사용될 예정입니다. 하지만 아직 산업 규모에는 미치지 못하고 있습니다. 이 크기의 로봇에 전력을 공급하는 것은 문제가 될 수 있습니다. 피키의 경우, 배터리가 필요하지 않습니다. 레이저 빔이 맞으면 변형되고 다시 형성되는 형상 기억 합금을 사용하여 움직임을 생성합니다.

같은 팀은 메타무시, 크리켓, 인치 웜 등을 본떠 밀리미터 크기의 로봇을 만들었으며, 날개 달린 마이크로칩. 이 칩은 모래알 크기로, 세계에서 가장 작은 인공 비행 구조물이 되었습니다. 이 작고, 센서가 장착된, 태양 에너지로 작동하는 장치들은 민들레 씨앗을 본따 바람에 날려보냅니다. 1밀리그램 무게의 민들레보다 30배 무거운 이 장치는 여전히 적당한 바람에 풋볼 필드 길이를 이동할 수 있으며, 최대 60미터 거리까지 데이터를 공유할 수 있습니다. 이들의 무선 센서는 농장이나 숲을 통해 온도와 습도의 변화를 모니터링하거나, 온실가스 배출이나 공기 중의 질병을 추적할 수 있습니다.

많은 마이크로봇 제작자들은 생물 모방을 사용하여 마이크로봇을 디자인합니다. 이들은 밀리미터보다 작고 마이크로미터보다 큰 구성 요소로 분류되며, 우리 세상에서 가장 작은 생물인 곤충을 본떠 디자인됩니다. 이 점프하는 벌레봇은 구조 평가를 수행하거나 벌레만이 도달할 수 있는 곳에서 물 샘플을 채취하기 위해 만들어졌습니다. 또 다른 봇은 동물들이 봄꼬리를 사용하여 중공에서 자신을 바로잡는 능력을 모방합니다.

작고, 자체 항해 드론은 꽃을 수분하는 벌처럼 생각하고 움직이도록 설계되었습니다. 자율적인 RoboBee는 위험한 환경을 탐색하고, 검색 및 구조 작업을 수행하며, 그 자연스러운 영감처럼 농업을 돕습니다. 과학자들은 가스 누출을 찾거나 라디오 주파수에서 에너지를 수확하기 위해 RoboFly를 사용할 계획입니다.

농업 외에도, 곤충에서 영감을 받은 로봇의 잠재적인 응용 분야는 제조, 감시 및 방어를 포함합니다. Black Hornet Nano 헬리콥터는 무게가 16그램, 길이가 4인치이며, 폭풍을 견딜 수 있도록 만들어졌습니다. 현재 $200K의 가격에 판매되고 있으며, 군대는 이를 상황 인식 및 전장에서 잠재적인 위협을 찾는 데 사용합니다. 미국 해군은 선원들이 접근할 수 없는 곳에서 손상을 검사하기 위해 3D 공간을 기어다니는 Gecko Robotics Phased Array 로봇 플랫폼을 보유하고 있습니다. 이 두 가지 모두 곧 더 작은 로봇으로 대체될 수 있습니다.

작년에, MIT와 하버드의 연구자들이 실제 벌레처럼 움직이는 작고 민첩한 드론들입니다. 연구자들은 이들 공중 로봇을 위해 20초 동안 공중에 머무를 수 있고 페니의 4분의 1보다 더 가벼운 인공 근육을 만들었습니다. 연구자들은 이전에 함께 작동하고 무리로 통신하는 자율적인 수중 탐사 로봇들을 만들었습니다. 최근의 테스트에서는 수백, 수천의 마이크로봇 집단의 움직임을 영향을 주는 진동을 사용하여, 실제로 벌집 같은 마음으로 작동하게 했습니다.

이 모든 로봇들이 자율적으로 작동하려면, 그들은 컴퓨터 비전 도구가 필요합니다. 일부 자율주행차를 구동하는 데 사용되는 LiDar는 크고 무거운 센서에 의존합니다. 이것도 더 작아졌습니다. 가장 작고 가벼운 스캐닝 LiDar인 SF45이라는 것이 작은 드론 로버에 추가되었습니다. 하지만 이것은 마이크로봇에 의해 사용되려면 더욱 축소되어야 합니다.

마이크로봇 플러스 나노기술은... 나노봇!

마이크로봇보다 작은 것은 나노봇으로, 부품은 나노미터 범위의 마이크로미터보다 작습니다.나노재료는 약물 전달, 전자제품, 연료 및 태양 전지를 위해 개발되었으며 언젠가는 우주 탐사에도 사용될 수 있습니다 - 나중에 이에 대해 더 자세히 알아보겠습니다.

나노기술은 현재 토양 정화에 사용되고 있으며, 이 과정에서 나노재료가 토양에 직접 방출됩니다. 나노재료는 토양 오염물질을 감지하고 처리하며, 고형 폐기물을 안정화하고 토양 침식을 제어할 수 있습니다. 최근의 나노기술 발전으로 흡착재의 효과성이 향상되어 환경 정화를 개선하는 새로운 혁신 시스템을 제공하고 있습니다. 연구자들은 작은 자체 추진 "나노 수영자"가 나노재료를 직접 방출하여 정화 또는 물 정화를 개선할 수 있음을 보여주었습니다. 그리고 연구자들은 이미 중금속 또는 방사성 폐기물과 같은 오염물질을 제거하기 위한 나노시스템과 나노재료를 개발하였습니다. 연구자들은 또한 개념 증명은 마이크로봇을 사용하여 음용수 또는 폐수에서 마이크로 플라스틱을 분해하는 것입니다.

이 나노기술을 자동으로 작동하게 만드는 제어는 개발의 가장 어려운 측면이 될 것입니다. 연구자들은 최근에 세계에서 가장 작은 걷는 로봇을 만들었습니다. 인간의 머리카락 너비로, 회로를 탑재하고 외부 제어 없이 자동으로 걷는 것은 큰 업적입니다. 현재는 마이크로 규모이지만, 나노봇을 위해 비슷한 기술이 나노 규모로 인쇄되어야 합니다.

작은 의사가 들어왔습니다 - 의학 분야의 작은 로봇들

마이크로 및 나노 기술은 건강 관리 응용 프로그램에서 가장 수요가 많습니다, 여기서 생물 모방도 적용됩니다. 이 마이크로 스캘럽은 밀리미터의 일부분 크기로, 인간의 혈관과 심지어 눈을 탐색하도록 설계되었습니다. 과학자들은 이미 미세한 수영 로봇의 무리를 지시하여 마우스의 폐에서 폐렴 미생물을 제거했습니다.

동등한 정맥 항생제 주사는 동일한 결과를 얻기 위해 3,000배 더 높아야 합니다. 이는 항생제 침투력을 향상시켜 더 많은 생명을 구할 수 있습니다 - 미국에서는 매년 100만 명의 성인이 폐렴으로 입원하고, 50,000명이 사망합니다. 전 세계적으로, 폐렴은 평균적으로 250만 명을 사망시킵니다.

이 나노로봇은 알약으로 복용하면 약물을 직접 주입할 수 있습니다. 예를 들어 인슐린을 사용자가 통증을 느끼지 않는 장에 직접 주입할 수 있습니다. 마이크로 로봇 공학은 또한 세계에서 가장 작은 심장 박동기의 창조로 이어졌습니다. Penn Dental의 연구자들은 마이크로 로봇을 사용하여 생체막, 약물 전달 또는 진단 샘플 회수를 위해 뿌리관의 어려운 영역을 치료했습니다. 변형 마이크로 로봇은 또한 사용되었습니다 칫솔질하고 치실질을 합니다. 적혈구보다 10배 작은 로봇들은 곧 사용될 수 있을 초음파 파동으로 제어되는 암 세포를 싸우는 데 사용됩니다. 또는 자석을 사용하여 나노로드를 통해 직접 척추에 약물을 전달할 수 있습니다. 다른 마이크로봇은 모양을 바꾸고 단단해져서 뼈 성장을 모방할 수 있습니다.

나노봇은 또한 전체 상처에 대상 항생제를 퍼뜨릴 수 있으며, 이는 국소적으로 투여되는 일반적인 항생제가 죽이는 세균에 비해 큰 개선입니다. 이 기술은 무릎이나 다른 관절 임플란트에 숨어 있는 세균을 싸우는 데 사용되거나 신장 결석을 치료하는 데 사용될 수 있습니다. 세균은 미국 병원에서 사망 원인 중 네 번째로 큰 원인이며, 매년 약 120만 명을 죽입니다.

마이크로봇은 자기 슬라임에서부터 파스타 모양으로 인체를 탐색하고 내부에서 물체를 회수할 수 있습니다. 결국, 이러한 마이크로봇들은 약물 전달이나 동맥을 풀어주는 데 사용될 수 있는 무리를 형성할 수 있습니다. Bionaut Labs라는 회사는 자사의 마이크로봇을 인체에 주입하고 자석으로 유도하여 선천적 뇌 기형과 종양을 치료하기 위해 2년 내에 임상 시험을 계획하고 있습니다. 마이크로봇이 치료할 수 있는 대상은 인간뿐만 아니라, 비슷한 응용 프로그램을 사용하여 스스로 치료하는 나노로봇을 만들 수도 있습니다. 연구자들은 자가 수리 기능을 가진 나노봇을 만들었고, 이들은 전기 자동차 배터리에 사용되는 회로가 손상될 경우 회로를 수리할 수 있습니다.

미세로봇의 미래 기회

다음 미세로봇 의료 전선은 작은 바이오 하이브리드 로봇이 될 것이며, 이들은 고정밀 생화학 작업을 원격 제어로 수행합니다. 이들은 생물학적 세포보다 크지 않거나 더 작아서, 순환계를 통해 이동하는 이상적인 전달 경로가 될 수 있습니다. 바이오 하이브리드 나노로봇은 결국 뇌에서 혈전을 제거하거나 수술 없이, 약물을 직접 장기에 전달하거나 수정을 돕는 등의 역할을 수행할 수 있습니다. [text]나노의학은 특히 암을 대응하기 위한 지역화된 치료에 집중하고 있으며, 많은 진전이 이루어졌습니다. 과학자들은 최근에 암을 죽이는 미세로봇을 직접 종양에 전달하기 위해 자석을 테스트했습니다. 나노로봇은 결국 CRISPR를 향상시킬 수도 있습니다.최근에는 세포증식을 감지하고 치료하는 CRISPR 기반 접근법에 대한 자금 지원이 이루어졌으며, 이에는 하이브리드 생물-무기질 나노로봇 응용이 포함되어 있습니다. 심지어 건강한 세포를 인체 내부에서 직접 바이오프린팅 할 수 있는 개념 증명 마이크로봇도 있습니다. 이는 우리가 성장하거나 치료가 필요한 인체 내부에서, 예를 들어 위상처를 치료하는 데 사용될 수 있습니다. 현재로서는 이러한 생물합성 나노로봇이 2030년에는 우리 몸에 거주하기 시작할 것으로 생각되고 있습니다.

가장 멀리 있는 나노로봇 응용 분야는 우주 탐사로, 많은 우주 기관들이 나노센서와 나노로봇을 추가하여 우주선, 우주복, 우주 로버의 성능을 향상시키는 다양한 유형과 단계의 계획을 진행 중입니다. 예를 들어, 탄소 나노튜브는 더 가벼운 우주선, 우주 엘리베이터, 또는 태양 세일을 만들 수 있습니다.[/link] 바이오-나노 로봇의 층을 우주복에 적용하면, 손상을 자체 수리하거나, 구멍을 막거나, 심지어 의료 비상 상황 중에 우주 비행사에게 직접 약물을 제공할 수 있습니다.

우주 기관들은 또한 나노센서를 사용하여 화성과 같은 행성에서 필수 화학물질인 물을 찾거나, 선박의 생명 유지 시스템의 일부로 유해 화학물질의 미량을 모니터링할 수 있습니다. 과학자들은 또한 우주를 탐사하기 위한 나노선박(또는 나노탐사선)을 만들 수 있습니다. NASA는 자율적인 나노기술 군집인 ANTS에 대한 계획을 가지고 있었고, 더 최근에는 SWIM 개념이 60만 달러의 자금을 받았습니다. SWIM은 NASA의 Ingenuity 헬리콥터를 대체할 가능성이 있으며, 각 로봇에 자체 추진 및 통신 시스템을 갖추어 로버에게 환경 정보를 제공합니다. NASA는 또한 2016년에 '스타칩' 프로젝트에 대한 계획을 발표했지만, 우주에서 떠다니는 가스와 먼지와의 충돌은 선박에 치명적일 수 있어 아직 진행 중입니다.

AI의 지수적인 발전 속도를 고려하면, 이러한 자기 복제 나노 프로브를 우주로 보내는 기술이 2050년까지 준비될 수 있을 것으로 보입니다. 하지만 이 문제에 대한 마지막 단어는 Michio Kaku에게 맡기겠습니다.