새로운 스마트 소재로 로봇 간의 화학적 신호 전달 향상

24년 2024월 XNUMX일 (나노 워크 스포트라이트) 살아있는 유기체는 정보를 공유하고, 짝을 찾고, 영토를 방어하기 위해 정교한 화학적 신호를 활용합니다. 유사한 능력을 활용하면 로봇의 인식, 협업 및 기능에 혁명을 일으킬 수 있습니다. 그러나 이전의 인공 화학 통신 시도는 한계에 직면했습니다. 재료에는 통합된 전송, 수신 및 감지 기능이 부족했습니다. 화학물질 방출 시기와 양에 대한 통제가 불충분했습니다. 전송 범위 제한으로 인해 실제 적용이 방해되었습니다. 계단식 다단계 반응은 불가능했습니다. 지속적인 과제는 다양한 환경에서 생물학적 독창성을 모방하는 적응 가능한 재료를 개발하는 것이었습니다. 액정 폴리머 네트워크(LCN)의 최근 혁신은 이제 이러한 장벽을 극복할 수 있는 가능성을 보여줍니다. LCN은 빛에 노출되면 모양이 바뀌는 프로그래밍 가능한 스마트 소재입니다. 결과 보고 고급 재료 (“액체 전달을 통한 인공 고분자 시스템의 피부 간 통신 촉진”), 아인트호벤 공과대학 연구팀이 피부를 모방한 LCN 층을 만들었습니다. 이러한 인공 피부는 필요에 따라 화학 신호를 보내고 받고 감지할 수 있습니다. 이 소재는 향상된 동적 제어, 신호의 다양성, 반응성 기능 및 감각 피드백을 보여줍니다.

정보 전달, 수신, 감지를 포함한 화학적 의사소통 과정을 개략적으로 설명합니다. (Wiley-VCH Verlag의 허가를 받아 재인쇄) 팀의 접근 방식은 빛에 의해 유발되는 화학 물질 방출과 전하 감지를 통합합니다. LCN 피부층에는 이온 화합물을 함유한 용액으로 채워지는 특별히 설계된 모공이 포함되어 있습니다. 자외선에 노출되면 피부가 수축되어 모공을 통해 근처의 다른 표면으로 액체가 밀려 나옵니다. 이 전송 프로세스는 LED 조명을 켜서 성공적인 전송을 알립니다. 방출된 액체는 수용하는 피부에서 전기적으로 측정된 저항도 변경합니다. 저항 값은 투과된 액체량과 연관되어 정확한 화학 물질 방출량을 감지할 수 있습니다. 연구팀의 스마트 피부층은 광반응성 아조벤젠 분자와 혼합된 액정 폴리머 네트워크(LCN) 소재를 활용합니다. LCN에는 이온 용액이 주입된 특별히 설계된 나노 크기의 기공이 포함되어 있습니다. 자외선 노출은 아조벤젠 시스-트랜스 분자 구성 반전을 유발하여 정렬된 LCN 분자의 순서를 잃습니다. 이 수축은 모공을 압박하여 액체를 펌핑합니다. 사용되는 용액에는 물에 용해된 폴리에틸렌 글리콜, 에틸렌 글리콜 또는 이온 염이 포함됩니다.

유리 기판에 LCN 코팅을 제조하는 과정입니다. (Wiley-VCH Verlag의 허가를 받아 재인쇄) 인공 피부는 고유하게 근접 폴리머 반응을 가능하게 합니다. 시연을 위해 연구진은 별도의 LCN 층을 티오시안산칼륨(KSCN)과 염화철(III)(FeCl3) 용액으로 채웠습니다. 접촉은 두 화학 물질 사이의 즉각적인 색상 변화 반응을 유발했습니다. Fe3+ 이온이 전달된 SCN- 이온과 상호 작용할 때 생생한 적색 철(III) 티오시아네이트 배위 복합체가 형성됩니다. 이 시각적 표시기는 LCN의 액체 전달 용량과 반응 가능성을 모두 확인합니다. 스킨 레이어는 전송 모드와 수신 모드를 번갈아 사용할 수 있습니다. 용액을 수용한 후 조명을 받으면 피부가 액체를 반환하여 양방향 전송을 완료합니다. 이 기술은 3개 이상의 반응성 스킨 체인에 걸쳐 다단계 계단식 반응을 촉진합니다. 가변적인 빛 노출 타이밍을 통해 화학 물질 방출 속도를 1초에서 몇 분까지 정밀하게 제어할 수 있습니다. 다양한 피부 모공 치수를 제조할 수 있어 다양한 유기 및 무기 화합물과의 재료 호환성을 최적화합니다. 이 소재는 반복적인 전송/수신 주기 동안 높은 효율성과 정확성을 보여줍니다. 시험에서 초기 피부 A는 UV 광선에 의해 트리거될 때 용액의 60%를 수신기 B로 보냈습니다. 그런 다음 피부 A는 두 번째 수신기 B19에 추가로 1%의 액체를 전송했습니다. 향후 표면 엔지니어링 개선은 전송 수율을 더욱 향상시키는 것을 목표로 합니다. 독특하게도 인공 피부층은 근접 반응성 화학도 가능하게 합니다. 연구팀은 별도의 껍질에 티오시안산칼륨 용액과 염화철(III) 용액을 채웠습니다. 접촉은 즉각적인 색상 변화 반응을 유발했습니다. 전송 중에 수신 표면에 해당 모양을 각인한 포토마스크를 통해 공간적으로 패턴화된 빛 노출. 이러한 수준의 신호 특이성은 복잡한 통신 프로토콜에 대한 가능성을 갖고 있습니다. 연구원들은 인간-로봇 인터페이스, 다중 에이전트 조정, 약물 생산, 화학 분석, 미세유체공학, 프로그래밍 가능한 표면 및 스마트 센서 네트워크를 포함한 잠재적인 응용 분야를 강조합니다. 이 기술은 인공 지능 시스템이 환경의 화학적 특성을 해석하고 반응할 수 있는 기반을 제공합니다. 적응형 대응 기능을 통해 로봇 팀은 상황 업데이트, 행동 단서 및 작업 할당을 교환하여 협업할 수 있습니다. 이 연구는 합성 물질을 사용하여 본질적인 생물학적 과정을 재현하는 데 필요한 주요 혁신을 보여줍니다. 그러나 본격적인 실제 구현을 실현하려면 여전히 추가 조사가 필요합니다. 유망하긴 하지만 현재의 기술 한계는 널리 상업적으로 배포되기 전에 해결되어야 합니다. 지속적인 연구는 제조 기술과 기공 구성을 최적화하여 생산 수율을 60% 이상 극대화하는 것을 목표로 합니다. 팀은 제어 정밀도와 변조 속도를 향상시키기 위해 대체 광 반응 분자를 탐색하고 있습니다. 장기적인 화학적 안정성, 재료 분해 모드, 독성 임계값 및 생체 적합성 요인을 연구하는 것은 인간 상호 작용, 의료 기기 및 식품 생산과 관련된 응용 분야에 필수적입니다. 보안 위험과 환경 영향을 분석하는 것도 중요합니다. 엘라스토머와 같은 대체 코팅 기판을 조사하면 웨어러블 장치 및 로봇 외부에 기술을 통합할 수 있습니다. 온도, 습도 및 대기 화학 변동에 따른 실제 운영 역학을 이해하려면 더 큰 테스트 환경이 필요합니다. 또한 화학적 신호 전달을 통한 완전히 분산된 다중 에이전트 조정은 이론적으로는 실행 가능하지만 실험적으로 검증되지 않았습니다. 인공 페로몬을 통해 개미 군집과 같은 자연 시스템과 비교할 수 있는 복잡하고 긴급한 다중 로봇 행동을 만드는 것은 여전히 열망적입니다. 집단적 그룹 의사결정 역학을 연구하는 것은 잠재적인 사회적 영향에 대한 가설을 세우기 전에 이루어져야 합니다. 이러한 열린 과제를 해결하려면 재료 과학자, 로봇공학자, 컴퓨터 과학자 간의 추가 학제간 협력이 중요합니다. 생체 영감 엔지니어링, 적응형 제조, 구현된 AI 전반에 걸친 통찰력을 결합한 창의적인 설계 접근 방식은 야심 찬 목표를 실현할 수 있는 길을 제공합니다.

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마이클
버거