이러한 모양

Jul 28, 2023

이 레고 같은 조각상은 변화하는 자기장이 있을 때 액화되고 영구 자석의 안내에 따라 움직이는 갈륨과 자성 입자의 새로운 합성 덕분에 터미네이터 2 스타일의 감옥에서 탈출했습니다.

Q. Wang 외/Matter 2023(CC BY-SA)

맥켄지 프릴라먼

2023년 1월 25일 오전 11시 55분

형태를 바꾸는 액체 금속 로봇은 더 이상 공상 과학 소설에만 국한되지 않을 수도 있습니다.

소형 기계는 고체에서 액체로 전환했다가 다시 고체에서 액체로 전환하여 좁은 공간에 비집고 들어가 회로 기판 납땜과 같은 작업을 수행할 수 있다고 연구원들이 Matter에서 1월 25일 보고했습니다.

자기장을 이용해 원격으로 제어할 수 있는 이러한 위상 변이 특성은 금속 갈륨 덕분입니다. 연구자들은 자석으로 금속의 움직임을 지시하기 위해 금속에 자성 입자를 삽입했습니다. 이 새로운 소재는 과학자들이 좁은 통로를 흔들리며 외부로 안내할 수 있는 부드럽고 유연한 로봇을 개발하는 데 도움이 될 수 있습니다.

과학자들은 수년 동안 자기 제어 소프트 로봇을 개발해 왔습니다. 이러한 봇을 위한 대부분의 기존 재료는 신축성이 있지만 가장 좁은 공간을 통과할 수 없는 단단한 재료 또는 유동적이지만 무거운 물체를 운반할 수 없는 자성 액체로 만들어졌습니다(SN: 7/18/19).

새로운 연구에서 연구자들은 자연에서 영감을 얻은 후 두 가지 접근 방식을 혼합했습니다(SN: 3/3/21). 예를 들어 해삼은 "자신의 강성을 매우 빠르고 가역적으로 변화시킬 수 있다"고 피츠버그 카네기 멜론 대학의 기계 공학자 Carmel Majidi는 말합니다. "엔지니어로서 우리의 과제는 부드러운 재료 시스템에서 이를 모방하는 것입니다."

그래서 팀은 실온보다 약간 높은 섭씨 30도 정도에서 녹는 금속인 갈륨으로 전환했습니다. 히터를 금속 덩어리에 연결하여 상태를 변경하는 대신 연구원들은 이를 빠르게 변화하는 자기장에 노출시켜 액화시켰습니다. 교류 자기장은 갈륨 내에서 전기를 생성하여 가열되어 녹게 합니다. 실온으로 냉각시키면 물질이 다시 굳어집니다.

갈륨 전체에 자성 입자가 뿌려져 있기 때문에 영구 자석이 갈륨을 끌어당길 수 있습니다. 고체 형태의 자석은 초당 약 1.5미터의 속도로 물질을 이동할 수 있습니다. 업그레이드된 갈륨은 자기 무게의 약 10,000배를 운반할 수도 있습니다.

외부 자석은 여전히 ​​액체 형태를 조작하여 액체를 늘리고 쪼개고 병합할 수 있습니다. 그러나 유체의 움직임을 제어하는 ​​것은 갈륨의 입자가 자유롭게 회전할 수 있고 녹는 결과 정렬되지 않은 자극을 가지기 때문에 더 어렵습니다. 다양한 방향으로 인해 입자는 자석에 반응하여 다른 방향으로 움직입니다.

Majidi와 동료들은 다양한 작업을 수행하는 작은 기계에서 전략을 테스트했습니다. 영화 터미네이터 2(Terminator 2)에 나오는 시연에서 장난감 사람이 철창을 녹인 후 철창 바로 바깥에 설치된 틀을 사용하여 원래 형태로 다시 굳혀 감옥에서 탈출했습니다.

보다 실용적인 측면에서, 한 기계는 장기에서 빠져나오기 전에 이물질을 감싸기 위해 약간 녹여서 인간의 위장에서 작은 공을 제거했습니다. 그러나 갈륨 자체는 금속이 약 37°C 체온에서 액체이기 때문에 실제 인체 내부에서 끈적끈적하게 변할 수 있습니다. 생의학 응용 분야에서 비스무트 및 주석과 같은 몇 가지 금속이 갈륨에 추가될 것입니다. 재료의 녹는점을 높이기 위해서라고 저자들은 말합니다. 또 다른 시연에서는 회로 기판을 납땜하기 위해 재료가 액화되고 재경화되었습니다.

비록 이 상전이 물질이 이 분야에서 큰 진전을 이루었지만, 그 생물의학 응용에 대한 의문은 여전히 ​​남아 있다고 이번 연구에 참여하지 않은 University of North Texas, Denton의 생물의학 엔지니어인 Amir Jafari는 말했습니다. 한 가지 큰 과제는 외부 장치에서 생성되는 인체 내부의 자기력을 정밀하게 제어하는 ​​것이라고 그는 말합니다.

이번 연구에는 참여하지 않은 하버드 대학의 로봇 엔지니어인 니콜라스 비라(Nicholas Bira)는 "이것은 매우 매력적인 도구입니다."라고 말했습니다. 그러나 그는 소프트 로봇공학을 연구하는 과학자들이 끊임없이 새로운 소재를 만들어내고 있다고 덧붙였습니다.