빛 에너지로 재충전 가능한 사이보그 바퀴벌레 개발 VIDEO: 再充電可能なサイボーグ昆虫
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곤충의 기본 동작을 해치지 않는
초박형 유기태양전지 구현
도시형 수색구조, 환경 모니터링,
위험지역 검사 등의 용도
일본 이화학 연구소(이연) 개척 연구 본부 소메츠 신지로 교수, 싱가포르 남양 이공 대학의 사토 히로시 전임 연구원(창발물성 과학 연구 센터 창발 소프트 시스템 연구 팀 전임 연구원), 소메야 타카오 주임 연구원( 동팀 리더), 와세다 대학 대학원 창조 이공학 연구과 종합 기계 공학 전공의 우메츠 신지로 교수, 싱가포르 남양 이공 대학의 사토 유타카준 교수등의 국제 공동 연구 그룹은, 빛 에너지로 재충전 가능한 전원 유닛을 포함한 전자 부품을 탑재한 사이보그 곤충을 개발했다.
본 연구 성과는 곤충의 수명이 지속되는 한 전지 소진 걱정 없이 사이보그 곤충의 장시간 활동을 가능하게 함으로써 그 용도 확대에 기여할 것으로 기대된다.
일렉트로닉스의 진보로 생물과 기계의 통합이 진행되었으며, 특히 도시형 수색구조, 환경 모니터링, 위험지역 검사 등의 용도로 행동제어모듈을 갖춘 사이보그 곤충이 제안되고 있다.
이번에 국제공동연구진은 두께 4마이크로미터(㎛, 1㎛는 1,000분의 1mm)의 유연한 초박형 유기태양전지[1]를 접착제 영역과 비접착제 영역을 번갈아 배치하는 '징검다리 구조'로 곤충의 복부 등쪽에 붙여 재충전과 무선통신이 가능한 사이보그 곤충을 구현했다.징검다리 구조의 유효성을 장애물 답파시험과 기상시험으로 정량적으로 평가한 결과 두께 5㎛ 이하의 필름이면 곤충의 기본적인 동작이 손상되지 않는다는 것을 실증했다.사이보그 곤충에 실장한 유기태양전지 모듈은 17.2밀리와트(mW)의 출력을 달성해 리튬폴리머전지[2]를 충전하고 무선 이동제어모듈을 조작할 수 있었다.
본 연구는, 과학 잡지 「npj Flexible Electronics」온라인판(9월 5 일자:일본 시간 9월 5일)에 게재되었다.
배경
기계와 생물의 통합인 사이보그는 유기체의 결함이 있는 부분을 대체할 뿐만 아니라 유기체의 통상적인 능력을 뛰어넘는 기능을 구현하기 위해서도 사용될 수 있다.특히 도시형 수색구조, 환경모니터링, 위험지역 검사 등의 용도로 행동제어를 위한 작은 집적회로를 갖춘 사이보그 곤충이 제안되고 있다.사이보그 곤충은 사람이 도달하기 어려운 특수한 환경에서도 장시간 활동할 수 있는 매력적인 로봇이다.
사이보그 곤충의 이동을 무선으로 장시간 제어하고 환경 데이터를 얻으려면 10밀리와트(mW) 이상을 생성할 수 있는 태양전지 등 환경발전장치가 필요하다.태양전지의 출력은 면적에 비례하지만 큰 디바이스는 그 무게와 크기로 가동부의 움직임이 제한되고 곤충의 운동능력을 손상시키기 때문에 곤충의 운동능력을 유지한 채 발전장치를 부착하여 10mW 이상의 출력을 달성하는 것은 그동안 어려웠다.이에 본 연구에서는 유연하고 초박형의 유기태양전지 모듈을 비롯한 전자 디바이스를 곤충의 기본적인 운동 능력을 손상시키지 않고 구현하는데 힘써 재충전과 무선 통신이 가능한 사이보그 곤충의 제작을 시도하였다.
연구 방법과 성과
본 연구에서는, 몸길이 약 6cm의 마다가스카르 바퀴벌레(Gromphadorhina portentosa)[3]의 등쪽에 전자 디바이스를 설치했다(그림 1 왼쪽).디바이스 중 무선 이동 제어 모듈과 리튬 폴리머 배터리는 부드러운 백팩을 통해 곤충 흉부 등 쪽 곡면을 따라 장착했다.두께 4마이크로미터(μm, 1μm는 1,000분의 1mm)의 초박형 유기 태양전지 모듈은 복부 등쪽에 장착했다.
무선 이동 제어 모듈과 리튬 폴리머 전지를 장착하기 위한 백팩은 마다가스카르 바퀴벌레의 정확한 3D 모델을 바탕으로 설계하고 탄성 폴리머를 3D 프린팅하여 제작하였다.백팩의 곤충과 접하는 쪽은 흉부 등 쪽 곡면 형상과 일치하는 기둥 모양 구조로 설계했다(그림 1 오른쪽). 이러한 기둥 모양 구조로 인해 곤충 개체 간 형상 차이에 관계없이 곡면에 완전히 밀착되어 단단한 전자 장치를 안정적으로 구현할 수 있었다.이 접착은 번식 환경에서 1개월 후에도 유지되었다.
또한 초박형 유기태양전지 모듈 설치를 위해 곤충의 복부 단면을 관찰한 결과 복부 변형 중 복부마디가 부분적으로 겹쳐져 있는 것으로 나타났다.거기서, 복부의 움직임의 자유도를 확보하기 위해, 폴리머 필름(필름)상에 제작된 초박형 유기 태양전지를, 접착제 영역과 비접착제 영역을 교대로 배치하는 「징검다리 구조」로 곤충의 복부 등측에 붙였다(그림 2).
-중략-
금후의 기대
복부 변형은 많은 곤충에서 볼 수 있으므로 이 연구에서 제안한 징검다리 구조로 초박형 전자소자를 부착하는 전략은 마다가스카르 바퀴벌레뿐만 아니라 다른 곤충종에도 적용 가능합니다.기본 동작 중인 곤충의 흉부와 복부의 변형을 고려할 때 흉부에 강성 또는 유연성 있는 요소를 두고 복부에 초연질 장치를 부착하는 하이브리드 전자 시스템은 사이보그 곤충에 효과적인 설계라고 할 수 있다.본 성과에 따라 곤충의 수명이 지속되는 한 배터리 소모 걱정 없이 장시간 장거리 활동이 가능해져 사이보그 곤충의 용도가 확대될 것으로 기대할 수 있다.
향후 보다 박형화된 제어회로를 이용해 센서 등 다른 컴포넌트와 결합하면 사이보그 곤충의 기능을 더욱 확대할 수 있을 것으로 보인다.
황기철 콘페이퍼 에디터 인플루언서
Ki Chul Hwang Conpaper editor influencer
(Source:
https://www.riken.jp/press/2022/20220905_2/index.html)
災害現場で活躍も期待…再充電可能な「サイボーグ昆虫」理研などが開発(2022年9月5日)
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