프로그램 가능한 물질인 '캐톰'에 대해 알아보자 > 읽을거리/과학

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'프로그램 가능한 물질(Programmable Matter)'이란,  '사용자의 의도 혹은 자율적으로 물리적인 특성을 바꿀 수 있는 물질'을 의미함.

현재까지 다양한 종류의 프로그램 가능한 물질이 연구되고 있지만 우리는 그 중에서도 캐톰에 대해 알아볼거임. 

 

 

'캐톰(Catom)'이란 Claytronics Atom의 준말로, 문자 그대로 '점토처럼 자유자재로 변형이 가능한 인공 원자'라는 뜻임.

 

 

 

 

이 프로젝트는 2000년대 초 카네기 멜론대학에서 "터미네이터의 T-1000같은걸 만들어 보자"라는 취지에서 시작되었음.

그리고 아직도 연구중임.

 

 

프로젝트 초기에는 요렇게 단순한 원통형의 '2D 캐톰'을 만들어서 실험했음.

아무래도 3차원 보다는 2차원이 훨씬 구현하기 쉬웠거든. 

그냥 담배 말듯이 웨이퍼를 둥글게 말면 완성이니 제작도 간편하고.  

물론 단순히 난이도 때문에 개발하는건 아니었음.

(오른쪽이 '2D 캐톰', 왼쪽은 캐톰이전에 개발했던 '스마트 블록'임)

2D 캐톰의 개발 컨셉은 '움직이는 픽셀'로, 이걸 소형화 시켜서 픽셀을 대체한다는 원대한 목표가 있었음.

지금은 흐지부지되고 그냥 3D 캐톰으로 넘어간것 같지만.

 

 

 

 

 

캐톰의 원리자체는 2D나 3D나 별 차이없고 매우 단순함.

바로 '정전기' 구동임.

전극에 전기를 흘려보내면 하나는 양극(+), 다른 하나는 음극(-)으로 충전되서 서로 달라붙음.

그 상태에서 전극을 순차적으로 충전시키면 그 다음 전극으로 계속해서 달라붙음 --> 굴러감.

그게 캐톰의 기능 전부임.

진짜로 별 거 없음.

 

 

(2D 캐톰 프로토타입 사진. 원통 지름이 1mm임)

원래는 캐톰에 전자석을 사용했지만, 전자석을 이용한 방식은 

1) 소형화가 매우 매우 어렵고 

2) 접착 상태일때 끊임없이 에너지를 공급해야 한다는 단점 때문에 정전기로 갈아탐.

 더군다나 정전기는 규모가 작아질수록 상대적인 힘이 더욱 강해지기 때문에 소형화에 매우 유리하다는 장점이 있었음.

(참고로 영구자석의 경우에는 On/Off가 불가능해서 애초에 고려되지도 않았음)

 

 

 

2D 캐톰으로 어느정도 노하우도 쌓았겠다, 기세등등해진 연구진은 이제 '3D 캐톰'에 도전해 보기로 함.

 

 

 

 

(3차원 공간을 빈틈없이 쌓을 수 있는 다면체들. 위에서 부터 차례대로 정육면체, 깎은 육팔면체, 마름모꼴 십이면체임)

근데 3D는 형태를 정하는것 부터가 문제였음.

연구원은 가장 먼저 3차원 공간을 빈틈없이 쌓을 수 있는 정육면체, 깎은 육팔면체, 마름모꼴 십이면체같은 도형을 테스트 했으나

1) 너무 각져서 못 굴러간다

라는 이유로 취소했고, 중간에 "그럼 모서리만 둥글게 다듬으면 되겠네!"라는 누군가의 건의로 모서리를 다듬어서 다시 한번 시도했지만...

 

 

 

1) 애매하게 둥글어서 굴렸을 때 정위치에서 한참 벗어남

 

 

그러자 "그렇다면 아예 구체 형태으로 만들면 되지 않을까?"라는 의견이 나와 구형도 시도했는데

1) 구형은 접촉면이 면이 아니라 '점'이라 마찰이 최소화되서 매우 잘 굴러감

2) 근데 그말은 접착력도 최소화된다는 말임

3) 현재 기술로 구형 캐톰을 만드는 것도 문제임. 구형은 다른 도형처럼 전개도를 인쇄해서 접는 방식없이 그냥 통째로 찍어내야 함.

라는 이유로 나가리됨.

 

 

결국 현실과 적당히 타협해서, 깎은 육팔면체를 적당히 변형한 '준구형(Quasi-shpere)' 캐톰 디자인을 완성함.

적당히 둥글어서 잘 굴러가고, 접촉면도 구체보다 넓어서 잘 달라붙음.

참고로 빨간게 전극임.

 

 

 

(너무 자랑스러워진 나머지 사이트 대문에 이미지를 실은 모습이다)

 

 

'3D 캐톰'의 구성은 실리콘 기판과 전극, 그리고 그걸 코팅하는 절연체인 산화-실리콘, 즉 석영 유리로 되어 있음.

 

 

 

 

윗짤처럼 실리콘 웨이퍼위에 전개도를 찍어낸 다음, 그걸 굴려서 제작함.

( 캐톰의 정전기력의 세기를 보여주는 그래프. x는 두 전극 사이의 거리, U는 입력 전압임)

 

 

연구진은 열심히 시뮬레이션을 돌려서 캐톰의 최적 크기가 반지름 65 마이크로미터, 즉 지름이 0.13mm라는걸 알아냈음.

 

 

(지름이 2mm인 캐톰 시제품)

 

 

(시제품을 만들기 전에 실제로 굴러가나 테스트하기 위해 만든 대형 캐톰모형)

(캐톰 12000개 모듈로 이루어진 머그컵. 내가 직접 세서 계산해봤는데 높이가 약 5.2cm임. 그냥 미니어쳐인 듯) 

(캐톰이 실제로 상용화될 경우 예상도. 캐톰으로 가득 찬 용기안에서 물건이 만들어짐)

(수 만개의 캐톰으로 이루어진 기차 모형)

(시뮬레이션에서 캐톰으로 깎은 육팔면체 모형을 구현하는 모습. 초기에 격자를 구성해서 다른 캐톰이 지나갈 '다리'를 만들고, 그 다음 내부를 채우는게 가장 효율적인 방식이라 함)

(위와 같은 방식으로 만든 피라미드)

 

 

연구진이 직면한 또 한가지의 난관은 바로 소프트웨어였음.

C+ 같은 기존의 프로그래밍 언어로는 캐톰같이 수백-수십억개의 모듈형 로봇으로 이루어진 군체를 다루기 어려웠음.

연구원은 'Meld'라는 선언적 프로그래밍 언어를 새로 개발해서 이 문제를 해결함.

(왼쪽이 기존의 캐톰, 오른쪽이 연구진이 제안한 부풀린 육팔면체 형태의 캐톰)

이건 올해 나온 따끈따끈한 논문 내용인데, 연구진은 캐톰자체에 어느정도 각이 져있어도 충분히 굴러갈 수 있다는걸 알아내고는 오른쪽과 같은 형상을 제안함.

접착면이 더 넓어진 만큼 훨씬 강한 힘을 발휘할거라 예측했음.

 

 

 

 

(새로운 디자인의 캐톰의 접착력 테스트. 새로운 디자인의 캐톰 시제품은 2cm로 상당히 큰 크기임)

 

 

(두 전극사이의 거리와 발생하는 힘의 관계 그래프)

(캐톰이 작동하는 모습)



(캐톰이 격자를 구성하는 모습)

(Femto ST사 소개영상. 1분 44초 부터 캐톰관련 내용이 언급됨)

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