▲ 광화학 기반 연료 운반 분자의 설계 및 빛을 이용한 분자 분해 거동 / (그림1a) 헥사플루오로이소프로판올 (hexafluoroisopropanol, HFIP) 연료 분자와 광반응성 오르토-니트로벤질 (o-nitrobenzyl, ONB) 유도체를 결합하여 광반응성 연료 운반 분자를 설계함. 연료 운반 분자는 자외선 조사에 의해 분해됨. (그림1b) 용액 상태에서 연료 운반 분자의 분해에 따른 색 변화가 관찰됨. 자외선 조사 시간이 증가할수록 분해가 점차 진행됨.(그림 및 설명=전남대학교 김형우 교수)   © 특허뉴스

빛만으로 연료를 생성하고 스스로 움직이는 ‘자율형 마이크로 로봇’이 국내 연구진에 의해 구현됐다. 배터리 없이도 구동 가능한 새로운 에너지 개념이 제시되면서, 체내 약물 전달부터 환경 모니터링까지 차세대 로봇 기술의 판도를 바꿀 수 있는 핵심 성과로 평가된다.

한국연구재단은 전남대학교 김형우 교수 연구팀과 미시간대학교 Abdon Pena-Francesch 교수 연구팀이 공동연구를 통해 빛으로 연료를 생성·방출하는 ‘연료 저장 분자’를 개발하고, 이를 기반으로 자율적으로 구동하는 소프트 마이크로 로봇 기술을 구현했다고 밝혔다.

마이크로 로봇은 인체 내부에서 약물을 전달하거나 미세 환경을 탐지하는 등 다양한 활용 가능성으로 주목받고 있지만, 크기가 작을수록 배터리나 전기 장치를 탑재하기 어려워 외부 에너지에 의존해야 하는 한계가 있었다.

연구진은 이러한 문제를 해결하기 위해 ‘내재 에너지(embodied energy)’ 개념을 적용했다. 로봇 구조 자체에 에너지를 저장하고 필요할 때 방출하는 방식이다. 이를 위해 자외선에 반응하는 광화학 분자를 설계해, 빛을 쬐면 연료가 생성되는 시스템을 구현했다.

핵심은 연료를 저장하고 필요 시 방출하는 분자 구조다. 연구팀은 헥사플루오로이소프로판올(HFIP)과 오르토-니트로벤질(ONB) 유도체를 결합한 분자를 설계해, 평소에는 안정적으로 연료를 저장하다가 자외선 조사 시 분해되며 연료를 생성하도록 했다.

이렇게 생성된 연료는 액체 내에서 표면장력 차이를 유도해 마랑고니 효과를 발생시키고, 이를 통해 로봇이 스스로 움직이는 동력을 얻는다. 즉, 외부 동력 없이도 ‘빛 → 연료 생성 → 이동’으로 이어지는 자율 구동 메커니즘이 완성된 것이다.

연구진은 해당 분자를 고분자 필름 형태로 제작하거나 로봇 표면에 코팅해, 빛의 ON/OFF에 따라 움직임을 제어할 수 있는 시스템도 구현했다. 여기에 자기장을 활용해 이동 방향까지 조절할 수 있어, 정밀 제어 가능성도 입증했다.

이번 기술은 마이크로 로봇뿐 아니라 능동 소재, 미세유체 시스템 등 다양한 분야로 확장 가능성이 크다. 특히 근적외선 기반으로 기술이 발전할 경우, 인체 내부에서도 안전하게 작동하는 의료용 마이크로 로봇으로의 적용이 기대된다.

김형우 교수는 “마이크로 로봇뿐만 아니라 능동 소재, 미세유체 시스템 등 다양한 분야에 활용될 수 있다”며, “향후 근적외선 기반 시스템으로 확장될 경우 의료용 마이크로 로봇 개발에도 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 Advanced Materials에 게재되고 표지논문으로 선정됐다.

빛을 에너지로 전환해 스스로 움직이는 ‘자율 로봇’의 시대가 현실로 다가오고 있다. 이번 성과는 초소형 로봇 기술의 한계를 뛰어넘는 동시에, 미래 의료·환경 기술의 새로운 가능성을 제시했다는 점에서 의미가 크다.

논문명은 Photochemical Fuel Carrier Molecules for Robotic Embodied Energy이다.