▲빛으로 작동하는 물고기 모양의 로봇. 이 로봇은 수영하면서 미세 플라스틱을 수집한다. 아래 가로 막대 길이는 10mm다. (사진=나노레터스)

진주조개의 자개 구조에서 영감받은 재질로 만들어진 수영하는 작은 물고기 로봇이 새로운 환경오염원으로 등장한 미세 플라스틱 수집 수단으로 기대를 모으고 있다.

나노레터스는 22일자에 중국 시안 서북공업대, 청두 쓰촨대, 쓰찬농업대 공동연구팀이 개발한 미세 플라스틱 수집용 소형 물고기 로봇 개발 논문을 게재했다.

미세 플라스틱은 육지, 공기, 수중 등 지구상의 거의 모든 곳에서 발견될 정도로 널리 퍼져 있다. 그리고 일단 그것들이 환경으로 나오면 이들을 제거하기 매우 어려울 수 있다. 특히 이들이 수로의 바닥 구석과 벌어진 틈에 쌓인다면 더욱 힘들 수 있다.

하지만 중국 연구원들은 작고, 유연하며, 스스로 움직이는 로봇들이 그 일을 할 수 있다고 생각하고 있다. 이 스스로 추진되는 물고기 모양의 수영하는 소프트 로봇은 언젠가 수로를 청소할 수 있게 될 것으로 기대를 모은다.

이 저널에 발표된 연구 논문에 따르면, 중국 재료 공학자들은 미세 플라스틱을 집어서 제거하는 수영하는 물고기 모양의 작고 부드러운 로봇을 만들었다. 길이가 15mm에 불과한 이 소프트 로봇은 근적외선 레이저를 빠르게 켜고 끄면서 물고기 꼬리를 펄럭이며 초당 2.67 몸길이 속도로 움직인다. (사람이 초당 1 몸길이 속도로 움직일 경우 1시간에 6.4km를 가게 된다.)

이는 이전에 보고된 다른 수영하는 소프트 로봇보다 빠르며, 물 속에서 움직이는 활동적인 식물성 플랑크톤과 거의 같은 속도다.

이 로봇 물고기는 또한 꼬리에 달린 스캐닝 라이트의 방향을 변경해 진로를 바꿀 수 있다. 이 물고기 로봇은 매우 내구성있고 작고 그만큼 빨리 헤엄칠 수 있다. 따라서 중국 연구원들은 이 로봇이 복잡한 수중 환경 속의 접근하기 어려운 곳에서 미세 플라스틱과 다른 오염 물질을 감시하는 데 사용될 수 있을 것이라고 말한다.

이 물고기 로봇의 재질은 수생 환경에서 쉽게 손상될 수 있는 전통적인 소프트 로봇 제작용 물질인 하이드로겔과 실리콘 고무 대신 진주조개 진주층(자개)에서 발견되는 미세한 경사에서 영감을 받은 물질로 만들어졌다.

▲(a)진주조개 자개층 구조의 개략도. (b)복합 재료의 계층적 나노 구조의 개략도. (c) 폴리우레탄 사슬과 사이클로덱스트린 술폰산염화 그래핀 시트 사이의 다중 수소결합 상호작용 모습을 그래픽으로 표현한 것. (사진=나노레터스)

연구진은 합성 나노시트로 알려진 소재, 즉 술폰산염화 그래핀 시트에 박힌 베타(β)-사이클로 덱스트린 분자의 2차원 나노구조를 만들었다. 이어 나노시트의 용액을 다른 농도로 폴리우레탄 혼합물에 넣어 경사를 형성했다. 이 물질은 미세 플라스틱 오염 물질이 표면에 흡수될 수 있는 여러 부위를 포함하는 구조를 갖게 됐다.

이러한 방법으로 물고기 로봇은 주변의 폴리스티렌 미세 플라스틱을 반복적으로 흡착하여 다른 곳으로 운반할 수 있다.

이 과정은 가역적이기 때문에 추후 미세 플라스틱을 제거할 수 있으며, 이 소프트 로봇 물고기는 오염물을 완전히 적재한 상태에서도 초당 1.93 몸길이 속도로 이동할 수 있다. 이 물고기는 탄력성이 있어 원래 길이의 20배까지 늘어나도 30분 후 정상으로 돌아온다.

또한 이미 내구성이 뛰어나지만 이 물고기 소재는 절단된 후 약 12시간이 지나면 89%의 효율로 스스로 치유될 수 있다. 이는 나노시트와 폴리우레탄 매트릭스를 연결하는 다중 수소 결합 덕분에 가능하다. 이 흡인력은 고온에서, 또는 물질이 늘어나거나 절단될 때 분산되지만, 실온에서 점차적으로 다시 재형성된다.

저자들은 “일반적으로 우리의 로봇 설계 뒤에 있는 공학 원리는 다른 기능을 실행하도록 설계된 통합 로봇을 안내하는 데 잠재적으로 유용할 수 있다”고 결론내리고 있다.