Optically Actuated Micro Robot Made of Shape Memory Alloy

Abstract

나노 및 마이크로 크기의 가공 기술이 발전함에 따라, 의료 분야에서 활용하기 위한 초소형 마이크로 로봇에 대한 연구가 활성화되었다. 다양한 방식으로 구동되는 마이크로 로봇이 보고되고 있지만, 생체 적합성이 불충분하거나, 효과적인 제어 및 정확한 구동이 어려워 마이크로 로봇을 실제로 구현하는데 한계가 있다. 특히, 마이크로 로봇은 크기가 작아 효과적인 기능을 수행하는 데 제한이 있다. 로봇의 군집 제어는 실제 기능의 효과를 향상시키는 방법 중 하나이지만 기존의 마이크로 로봇은 자기장과 같은 에너지원을 사용하여, 다수 로봇을 별도로 제어하기가 어렵다. <br/> 따라서, 본 논문에서는 기존의 한계를 극복하고, 군집 제어가 가능한 마이크로 로봇을 구현하기 위해서 마이크로 형상기억 합금 (Shape Memory Alloy) 구동기를 기반으로 광학 구동 마이크로 로봇을 제시한다. 형상기억 합금 기반 광학 구동 마이크로 로봇을 구현하기 위해서 제조 공정을 고려한 설계 고안, 설계를 구현하기 위한 제조 공정 개발, 구동 원리에 대한 고찰 및 제어 기술 개발을 수행하였다.<br/> 마이크로 로봇은 800 nm 두께의 다이아몬드 형태 형상기억 합금 구동기와 그 양단에 바닥과 접촉하는 두 개의 파트로 구성되었으며, 그 크기는 60 ⨯ 25 ⨯ 8 μm이다. 나노스케일의 분해능을 가진 시편 이송장치와 마이크로 집게를 집속이온빔과 자외선 레이저(UV laser) 장비에 설치하여 빔을 이용한 공정을 구현하였으며, 이를 마이크로 로봇 제작에 활용하였다. 와이어 형태의 형상기억 합금을 집속 이온빔으로 가공하여 로봇 형상을 제작하였고, 레이저, 시편 이송장치 및 마이크로 집게를 이용하여 양방향 형상기억 효과(Two-way shape memory effect)를 훈련시켰다. 로봇과 와이어 사이에 홈을 가공하고 반복 하중을 가하여 제작된 로봇을 와이어로부터 분리시켜 무선 마이크로 로봇을 구현하였다.<br/> 마이크로 로봇은 형상기억 효과, 광학 트래핑(Optical trapping) 및 광열 트래핑(Optothermal trapping) 효과가 복합적으로 작용하여 구동된다. 각 효과를 독립적으로 분석하고 정량화였고, 효과를 통합하여 마이크로 로봇이 움직이는 원리를 규명하였다. 또한 구동 원리를 바탕으로 로봇의 설계 변수 최적화를 진행하였다.<br/> 로봇의 직진 운동 및 회전 운동을 구현하였으며, 구동 레이저 조건을 최적화하였다. 마이크로 스케일 제조공정에서 발생하는 정밀도의 한계를 극복할 수 있도록 영상 보조 마이크로 로봇 제어기를 개발하였다. 제어기를 이용한 마이크로 로봇 구동의 응용 예시로 약물 전달 및 세포 조작 등의 응용 분야를 제시하였다. 결과적으로, 형상기억 합금 기반 광학적으로 구동되는 마이크로 로봇은 기존의 로봇과 구별되는 로봇 제작 방법과 구동 원리를 제시하였으며, 새로운 방식의 마이크로 로봇을 개발하는 방법을 제안하였다.