과학자들이 아인슈타인의 상대성 이론을 이용해 로봇에게 미로 헤엄치기 훈련을 시키다

미국 - 이크바리 뉴스 통신사

과학자들이 아인슈타인의 상대성 이론을 이용해 로봇에게 미로 헤엄치기 훈련을 시키다

이론 물리학과 응용 공학의 주목할 만한 융합에서 펜실베이니아 대학의 과학자들은 일반 상대성 이론의 원리를 활용하여 초소형 로봇이 복잡한 미로를 탐색하도록 하는 새로운 기술을 개척했습니다. 이 혁신은 인간 몸 내부의 정밀 의료 시술부터 첨단 제조 공정에 이르기까지 다양한 분야에서 초소형 로봇을 배치하는 데 중요한 진전을 나타냅니다. 핵심 혁신은 이 작은 기계들을 안내하는 '인공 시공간' 환경을 조성하는 데 있습니다.

실용적인 마이크로 로봇 개발은 오랫동안 섬세한 작업 규모(예: 인체 내부)에서 작동하기에 너무 커지는 벌키한 센서나 전자 부품에 의존하지 않고 정밀한 탐색 능력을 갖추는 과제에 의해 방해받았습니다. 이 한계를 극복하기 위해 펜실베이니아 대학의 물리학자들은 거대한 물체에 의해 야기되는 시공간의 곡률에 영향을 받아 우주를 여행하는 우주선이나 빛 자체의 방식과 유사하게 기계를 조종하는 방법을 고안했습니다.

최근 npj Robotics 저널에 발표된 이 연구는 약 인간 머리카락 너비에 해당하는 100마이크로미터의 전기 운동학(EK) 수영 로봇을 이온화된 용액에 담그는 것을 포함했습니다. 이 로봇들에게는 단순한 미로를 탐색하는 임무가 주어졌습니다. 각 봇은 양쪽 끝에 소형 태양 전지와 전극이 장착되어 있습니다. 태양 전지가 빛에 노출되면 전극에 전력을 공급하여 로봇을 액체 매체를 통해 추진하는 전기장을 생성합니다.

가장 큰 과제는 이 미세한 개체들을 미로 내의 특정 목표 지점에 도달할 만큼 정밀하게 안내하는 동시에 장애물을 피할 수 있도록 하는 능력이었습니다. 여기서 아인슈타인의 일반 상대성 이론이 안내 원리를 제공했습니다. 이 이론은 중력이 질량을 가진 물체 주변의 시공간을 구부린다고 가정합니다. 물체와 빛은 지질학적 경로, 즉 휘어진 시공간에서 가장 짧은 경로를 따르며, 이는 전통적인 관점에서 볼 때 휘어져 보입니다. 고전적인 예는 중력 렌즈 효과로, 멀리 있는 광원의 빛이 실제로 우주에서 직선으로 이동함에도 불구하고, 은하단과 같은 거대한 물체의 중력장을 통과할 때 구부러지고 확대되어 보이는 현상입니다.

연구의 주요 저자이자 펜실베이니아 대학 전기 및 시스템 공학 조교수인 Marc Miskin은 Live Science에 보낸 이메일에서 "우리는 패턴화된 광장에서 EK 로봇의 행동이 일반 상대성 이론에서 빛이 따르는 경로와 동일하다는 것을 보여주었습니다."라고 말했습니다. "놀랍게도, 로봇을 중력의 유사체로 사용할 수 있습니다. 왜냐하면 대응 관계가 정확하기 때문입니다. 대안적으로, 로봇을 안내하기 위해 일반 상대성 이론의 아이디어를 역으로 사용할 수도 있습니다. 중력이 물체를 끌어당기는 방식과 동일한 방식으로 로봇을 특정 지점으로 안내할 수 있습니다."

이 효과를 시뮬레이션하기 위해 연구팀은 상대성 방정식과 함께 미로를 곡선 가상 공간으로 모델링했습니다. 이 모델 내에서 목표물로 가는 경로는 단순한 직선이 되었습니다. 그런 다음 이 모델은 2차원 광 지도에 매핑되었습니다. 지도는 어두운 영역이 로봇을 자연스럽게 끌어당기고 더 밝은 영역은 밀어내는 방식으로 설계되었습니다. 미로의 최종 지점은 가장 어두운 지점('가짜 블랙홀'과 같은)으로 지정되었으며, 조명이 켜진 장애물은 반발력으로 작용했습니다.

초기 위치에 관계없이 EK 봇은 이러한 '지질학적 경로'를 자연스럽게 따르며, 마치 왜곡된 공간에서 내리막길을 미끄러지듯 벽을 자동으로 피했습니다. 연구팀은 2025년 11월 npj Robotics 저널에 그 결과를 자세히 설명했습니다.

Miskin 교수는 이 연구가 기초 물리학과 실용 기술 간의 격차를 해소한다고 말했습니다. 그는 "한편으로는 상대성과 빛은 매우 잘 이해되어 있습니다. 반응 제어를 이들과 연결하는 것은 로봇 공학에 대한 새로운 사고방식과 확립된 도구를 제공합니다."라고 언급했습니다. "다른 한편으로, 일반 상대성 이론과 광학은 매우 추상적입니다(시공간의 곡률을 생각해보세요). 반면에 로봇 공학은 기계적이고 구체적입니다(로봇이 왜 그렇게 행동하는지 이해하기 매우 쉽습니다)." 그는 새로운 유형의 로봇이 기존 광학 이론에 따라 어떻게 행동하는지 보여주는 것 외에도, 이 실험들이 연구자들에게 일반 상대성 이론에 대한 더 깊은 통찰력을 제공한다고 덧붙였습니다. 특히 2차원 공간에서 '평평한 시공간'의 행동을 탐구하는 데 있어서 그렇습니다.

이 미로 탐색 연구는 초기 단계의 개발이지만, Miskin은 향후 10년 이내에 실용적인 응용이 나타날 것으로 예상합니다. 잠재적인 사용 사례에는 모든 감염된 조직이 제거되었는지 확인하기 위한 신경 치료 후 치아 검사, 세포의 암성 여부를 확인하기 위한 국소 측정에 기반한 표적 종양 제거, 심지어 생의학 분야를 넘어 초소형 로봇 도우미를 사용한 마이크로칩 조립 등이 포함됩니다. Miskin은 "미시 세계는 매혹적인 곳입니다. 이러한 아이디어가 빙산의 일각에 불과하다 하더라도 놀라지 않을 것입니다."라고 결론지었습니다.

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