소금알보다 작은 로봇이 수영한다

소금 한 알이 거대해 보일 정도로 작은 로봇이 물속을 헤엄치고 있다. 길이 0.3mm, 두께 0.05mm. 펜실베이니아 대학과 미시간 대학 공동 연구진이 개발한 이 로봇은 40년간 로봇공학계의 숙원이었던 1mm 벽을 마침내 돌파했다.

그동안 로봇의 소형화는 물리 법칙의 벽에 막혀왔다. 우리가 사는 거시 세계에서는 중력과 관성이 지배하지만, 미시 세계에서는 점성과 마찰력이 모든 것을 좌우한다. 작은 팔다리로는 끈적한 타르 같은 물의 저항을 이겨낼 수 없었던 것이다.

전기로 바다를 움직이다

연구진이 찾은 해법은 기존 로봇공학의 상식을 뒤엎는 것이었다. 물고기처럼 몸을 움직여 물을 밀어내는 대신, 로봇 주변에 전기장을 만들어 물속의 하전 입자들을 밀어낸다. 이 입자들이 움직이면서 주변 물 분자들을 끌고 가며 물의 흐름을 만드는 원리다.

마치 로봇이 움직이는 게 아니라 바다 자체가 움직이는 것처럼 보인다. 펜실베이니아 대학의 마크 미스킨 교수는 "기존 로봇 대비 1만분의 1 크기로 소형화에 성공했다"며 "프로그래밍 가능한 로봇의 완전히 새로운 스케일을 열었다"고 설명했다.

이 추진 방식의 가장 큰 장점은 내구성이다. 움직이는 부품이 없어 수개월간 연속 작동이 가능하다. 제조 비용도 대당 1센트에 불과하다.

75나노와트로 생각하는 컴퓨터

진정한 자율성을 위해서는 추진력만으로는 부족하다. 주변을 감지하고 판단해야 한다. 이 모든 것을 1mm 미만 칩에 담아야 했다.

미시간 대학의 데이비드 블라우 팀이 이 도전을 맡았다. 세계 최소형 컴퓨터 제작 기록을 보유한 그들도 이번엔 달랐다. 로봇의 태양 전지가 생성하는 전력은 고작 75나노와트. 스마트워치 소비 전력의 10만분의 1도 안 되는 수준이다.

해결책은 극저전압에서 작동하는 특수 회로 설계였다. 복잡한 프로그램도 단일 명령어로 압축해 작은 메모리 공간에 우겨넣었다. 5년간의 시행착오 끝에 나온 결과다.

꿀벌처럼 춤추는 로봇

로봇은 미세한 온도 변화를 감지할 수 있다. 하지만 몸집이 너무 작아 통신 장비를 탑재할 수 없다. 대신 곤충 왕국에서 빌려온 방법을 쓴다.

감지한 정보를 "춤동작"으로 번역하는 것이다. 연구진은 현미경으로 로봇의 움직임을 관찰해 정보를 해독한다. "꿀벌이 서로 소통하는 방식과 매우 유사하다"고 블라우 교수는 설명한다.

각 로봇에는 고유 ID가 부여되어 서로 다른 역할을 수행할 수 있다. 수백 대를 한 번에 제조할 수 있어 집단 작업도 가능하다.

한국 의료와 제조업의 미래

이 기술이 상용화되면 한국의 의료 현장부터 바뀔 것이다. 삼성바이오로직스나 셀트리온 같은 바이오 기업들이 세포 단위 모니터링에 활용할 수 있다. 암세포 추적부터 약물 전달까지, 지금까지 불가능했던 정밀 의료가 현실이 된다.

제조업에서는 삼성전자의 반도체 공정이나 LG디스플레이의 디스플레이 제조에서 미세 부품 조립에 활용 가능하다. 사람 손으로는 불가능한 나노 스케일 작업을 로봇이 대신할 수 있다.

하지만 과제도 많다. 대량 생산 기술 확보, 안전성 검증, 규제 프레임워크 마련이 필요하다. 특히 의료용으로 사용하려면 식약처 승인 과정을 거쳐야 한다.