요약:
중국과학원 선양 자동화 연구소 연구팀은 최근 황소개구리 다리에서 채취한 실제 골격근으로 추진 지느러미를 구동하는 무선 조명 제어 소형 '로봇 쥐가오리'를 개발했습니다. 이번 연구는 생물학적 조직을 직접 액추에이터로 활용하는 것으로, 생체융합 로봇 분야의 최첨단 탐구다. 관련 결과는 'Advanced Functional Materials'에 게재되었습니다.
연구팀은 일반적인 황소개구리의 다리에서 박근(gracilis)을 추출하여 작동 장치로 사용했습니다. 최적화된 전기 자극 조건(펄스당 1Hz, 5V, 10ms)에서 근육은 약 25%의 수축 진폭으로 약 6.5N의 안정적인 수축력을 생성할 수 있습니다. 더 강한 자극 하에서 최대 힘은 9.4N에 도달할 수 있습니다. 조직은 11일 동안 전기적으로 반응을 유지했으며 약 7일 동안 로봇을 안정적으로 구동할 수 있었습니다.
실험실 배양이나 재구성된 근육 조직을 사용했던 이전 프로토콜과 달리, 이 연구에서는 자연적으로 분리된 손상되지 않은 골격근을 직접 사용했습니다. 연구진은 천연 근육 섬유가 고도로 정렬된 배열 구조를 갖고 있어 세포 배양으로 재구성된 근육 다발보다 수축 성능이 훨씬 우수하다고 지적했습니다. 그러나 부족한 출력 힘은 기존 골격근 구동 로봇의 속도와 이동성을 제한하는 주요 병목 현상이었습니다.
기존 유선 전기 자극 시스템의 제약을 없애기 위해 연구팀은 로봇 쥐가오리 뒷면에 마이크로갈륨비소(GaAs) 광전지 모듈을 내장하고 808나노미터 근적외선 레이저를 조사했습니다. 광전지 장치는 빛 신호를 전기 신호로 변환하여 근육 표면의 신경에 전달하여 수축을 유발합니다. 왼쪽과 오른쪽의 태양광 영역을 독립적으로 다룰 수 있으며, 빛의 타이밍과 위치를 제어하여 양쪽 근육의 차별화된 수축을 구현함으로써 전진, 회전, 원형, U자 회전 등의 케이블 없는 제어를 완성합니다.
동작 성능 측면에서 로봇 쥐가오리의 평균 직선 속도는 초당 몸 길이 0.54배(약 2.7cm/s)이며, 짧은 시간에 초당 몸 길이 2배에 도달할 수 있습니다. 연구팀은 이는 지금까지 보고된 골격근 구동 바이오하이브리드 로봇의 상대 전진 속도 중 가장 높은 속도라고 밝혔다. 최소 회전 반경은 몸 길이의 8분의 1에 불과하고, 최대 각속도는 초당 21도에 달하며, 한 바퀴를 도는 데 약 17초가 걸린다. 로봇은 최대 5g의 하중을 가해 표면을 순항하고 수중 수영을 할 수 있을 뿐만 아니라 단단한 표면에서도 느린 곡선으로 이동할 수 있습니다.
연구원들은 자연적으로 분리된 골격근을 무선 광전 신경 자극 시스템과 결합한 것은 이번이 처음이며, 자연 근육 조직이 고성능 생물학적 구동기로서의 타당성을 검증했다고 밝혔습니다. 이 기술 경로는 쥐가오리 구성에만 국한되지 않습니다. 자연 근육 액추에이터는 다른 로봇 구조에 적응할 것으로 예상되며 "광전기" 무선 제어 체계는 영구 외부 전선 없이도 생물학적 액추에이터를 제어할 수 있는 방법을 제공합니다.
응용 수준에서 팀은 이러한 유형의 소형 지느러미 추진 로봇이 얕은 물 환경 모니터링과 수중 생물의 저교란 관찰에 적합하며 기존 수중 로봇 프로펠러 및 견고한 메커니즘으로 인한 간섭을 피할 수 있다고 믿습니다. 또한, 고립된 근육의 효과적인 수축을 유지하기 위해 개발된 전기 자극 프레임워크는 신경 손상 후 체외 근육 재활 연구 및 동적 조직 공학 배양 시스템에 대한 실험적 참고 자료를 제공할 수도 있습니다.
현재 주요 제한 사항은 생물학적 조직의 수명과 외부 에너지에 대한 의존성입니다. 통합된 근육은 약 7일 동안 안정적으로 작동할 수 있고 전기적 반응은 최대 11일 동안 지속될 수 있습니다. 무선 자극에는 여전히 외부 근적외선 광원에 의한 지속적인 전원 공급 및 제어가 필요합니다. 다음 단계에서 팀은 근육 수명을 연장하기 위해 체외 배양 전략을 최적화하고, 보다 균일한 전기 신호 분포를 달성하기 위해 신경과 유사한 유연한 필름 전극을 개발하고, 로봇이 실시간 조명에 전적으로 의존하는 대신 수집된 빛 에너지를 저장하고 필요할 때 호출할 수 있도록 광전지 시스템과 온보드 에너지 저장 장치를 결합하려고 노력할 계획입니다.
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