Inverse Designing Reconfigurable Piezoelectric Tensors via Architectural and Modal Programming

압전성은 특정 재료에서 발견되는 성질로, 전기를 움직임으로 바꾸거나 움직임을 전기로 바꾸는 것을 가능하게 합니다. 이 재료들을 압축하면 전하가 생성되며, 전하를 가하면 물리적으로 형태가 변합니다. 이러한 양방향 관계는 카메라 렌즈의 초점을 맞추는 아주 작은 모터부터 지진을 감지하는 센서, 그리고 진동으로부터 에너지를 수확하는 장치에 이르기까지 많은 현대 기술의 엔진 역할을 합니다. 수십 년 동안 엔지니어들은 자연적인 결정을 사용하여 이 효과를 얻어왔습니다. 그러나 이러한 결정체들은 엄격한 한계를 가지고 있습니다. 결정의 내부 원자 구조가 움직일 수 있는 방식과 방향을 정확히 규정하기 때문에, 단일 재료 조각은 오직 특정한 고정된 동작만을 수행할 수 있습니다. 만약 장치가 복잡한 방식으로 움직여야 한다면, 엔지니어들은 여러 개의 서로 다른 재료 조각과 기계적 연결 장치를 사용하여 이를 구축해야 하며, 그 결과 부피가 크고 복잡한 기계가 만들어집니다.

캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스와 이탈리아 인공지능 연구소의 연구팀은 이러한 자연적 제약에서 벗어날 방법을 찾아냈습니다. 완벽한 특성을 가진 새로운 결정을 찾는 대신, 그들은 처음부터 새로운 종류의 재료를 설계했습니다. 표준 압전 세라믹을 특정한 3차원 격자 구조로 배열함으로써, 그들은 거의 모든 방향으로 움직일 수 있도록 프로그래밍 가능한 새로운 재형의 재료를 만들었습니다. 그들은 내부 구조의 형태를 바꿈으로써 전기 신호에 재료가 어떻게 반응하는지를 정확하게 제어할 수 있음을 입증했습니다. 더욱 놀라운 점은, 전기 신호를 가하는 속도를 바꾸는 것만으로도 재료의 행동을 전환하여, 물리적 형태를 바꾸지 않고도 마치 다른 유형의 기계처럼 작동하게 할 수 있다는 사실을 발견했다는 것입니다. 이 접근 방식은 단 하나의 작고 조밀한 블록이 이전에는 별도의 부품들로 구성된 커다란 조립품이 수행해야 했던 복잡한 작업들을 수행할 수 있게 해줍니다.

연구진은 먼저 이 재료를 하나의 단단한 덩어리가 아니라, 연결의 네트워크로 취급하며 시작했습니다. 그들은 3차원 구조를 재료의 접점은 점으로, 연결된 빔은 선으로 나타내는 그래프로 표현했습니다. 이러한 수학적 관점은 각 작은 빔의 국부적인 움직임이 전체 물체의 전체적인 운동에 어떻게 기여하는지를 파악할 수 있게 해주었습니다. 자연 결정에서 원자들은 유연성을 제한하는 딱딱한 패턴 안에 갇혀 있습니다. 하지만 이 새로운 구조에서 연구진은 빔을 수천 가지의 다른 방식으로 배열할 수 있었습니다. 그들은 기하학적 구조를 정교하게 설계함으로써 재료가 특정 방향으로 늘어나거나, 휘거나, 뒤틀리거나, 전단(shear)되도록 만들 수 있다는 것을 발견했습니다. 그들은 재료가 전기장에 반응할 수 있는 18가지 가능한 모든 방식을 활성화하는 것이 가능하다는 것을 보여주었으며, 이는 단일 자연 결정으로는 달성할 수 없는 범위의 운동입니다.

원하는 움직임에 적합한 완벽한 형태를 찾기 위해, 팀은 구조의 형태와 물리적 행동 사이의 관계를 이해하도록 훈련된 컴퓨터 프로그램을 사용했습니다. 그들은 수십만 가지의 서로 다른 설계를 시뮬레이션하여, 특정 빔 배열이 어떻게 움직이는지를 예측하는 컴퓨터 모델을 학습시켰습니다. 일단 모델이 이 연결 고리를 학습하고 나면, 그들은 역으로 작업할 수 있었습니다. 즉, "우리는 전기를 가했을 때 옆으로 움직이는 재료가 필요하다"라고 컴퓨터에 말하면, 시스템이 정확히 그 기능을 수행하는 고유한 구조를 설계하는 방식입니다. '역설계(inverse design)'라고 알려진 이 과정은, 표준 설계보다 3배 더 늘어나는 버전이나 늘어나지 않고 뒤틀리는 버전과 같이 극단적인 특성을 가진 재료를 만들 수 있게 해주었습니다. 그들은 각 빔을 굽히거나 늘릴 수 있는 작은 유연한 막대처럼 취급하는 상세한 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 이러한 설계들을 검증했습니다.

연구팀은 또한 형태를 바꾸는 것을 넘어 재료를 제어하는 역동적인 방법을 밝혀냈습니다. 그들은 재료의 반응이 가해지는 전기 신물의 주파수에 크게 의존한다는 것을 발견했습니다. 느린 전기 신호를 가했을 때는 재료가 한 방식으로 움직였지만, 신호의 속도를 구조의 자연 진동수와 일치하도록 높였을 때는 움직임이 완전히 바뀌었습니다. 특정 주파수에서 재료는 수직으로 팽창하거나 수축할 수 있고, 다른 주파수에서는 동일한 입력이 회전하거나 옆으로 미끄러지는 움직임을 유발할 수 있습니다. 이는 단 하나의 재료 조각이 구동되는 속도에 따라 서로 다른 도구 역할을 할 수 있음을 의미합니다 격자 구조 내의 서로 다른 진동 패턴을 자극하여, 특정 유형의 운동은 증폭시키고 다른 운동은 상쇄시키는 방식으로 빔들이 새로운 조합으로 움직이게 만들기 때문입니다.

이러한 아이디어가 실제 세상에서 작동함을 증명하기 위해, 연구진은 PZT라고 불리는 흔한 압전 세라믹을 사용하여 물리적 장치를 제작했습니다. 그들은 고정밀 3D 프린팅 기술을 사용하여 손톱 크기 정도의 작고 복잡한 격자 구조를 만들었습니다. 프린팅 후, 그들은 결합제를 제거하기 위해 재료를 가열한 다음, 세라믹 입자들을 융합시키기 위해 소결(sintering) 과정을 거쳤습니다. 마지막으로, 그들은 세라믹의 내부 특성을 정렬하기 위해 강한 전기장을 가했는데, 이 과정을 '폴링(poling)'이라고 하며 이를 통해 재료를 활성화합니다. 연구진은 전압을 가하고 움직임을 측정함으로써 프린팅된 물체를 테스트했습니다. 결과는 그들의 예측과 일치했습니다. 장치는 수직 및 측면으로 움직일 수 있었으며, 어레이의 서로 다른 부분에 가해지는 전압을 제어함으로써 기울기나 뒤틀림과 같은 복잡한 운동을 생성할 수 있었습니다.

이 연구의 실질적인 영향은 정밀 기계의 크기와 복잡성을 획기적으로 줄이는 데 있습니다. 연구진은 고급 광학 소자에서 필수적인 작업인 광섬유를 네 가지 방향으로 움직일 수 있는 프로토타입 포지셔닝 시스템을 구축했습니다. 동일한 작업을 수행하도록 설계된 기존 시스템은 움직임을 재지향하기 위한 여러 개의 별도 모터와 복잡한 기계적 연결 장치를 필요로 하며, 그 결과 약 40mm의 폭과 깊이를 가진 장치가 됩니다. 하지만 이들의 새로운 설계는 프로그래밍 가능한 격자 구조를 사용하여, 단 10 x 10 x 5mm 크기의 블록만으로도 동일한 4자유도를 구현했습니다. 이는 부피가 90% 감소한 수치입니다. 움직임을 재료의 구조 자체에 인코딩함으로써, 그들은 움직임을 재지향하는 데 필요한 부피가 큰 기계 부품들을 제거할 수 있었습니다.

이 연구는 재료 자체가 곧 기계가 되는 새로운 공학적 경로를 제시합니다. 복잡한 기능을 만들기 위해 많은 작은 부품을 조립하는 대신, 엔지니어들은 이제 전체 작업을 수행하는 단 하나의 재료 블록을 설계할 수 있습니다. 전기 신호를 바꾸는 것만으로 다양한 운동 모드를 전환할 수 있는 능력은, 상황에 따라 기능을 적응시킬 수 있는 장치로 가는 문을 열어줍니다. 정밀한 기기를 배치하거나, 여러 방향의 진동을 감지하거나, 소형 로봇을 만드는 데 이르기까지, 이 접근 방식은 기계를 더 작고, 단순하며, 다재다능하게 만드는 방법을 제공합니다. 연구진은 재료를 정적인 고체가 아닌 프로그래밍 가능한 네트워크로 생각함으로써, 자연이 제공하지 못한 능력을 끌어내어 단 하나의 세라믹 조각을 미래 정밀 기술을 위한 재구성 가능한 도구로 바꿀 수 있음을 보여주었습니다.