A mechanically embodied, double-network hydrogel adaptive memory element for reprogrammable actuation
본 논문은 신속한 광열 굴곡과 비휘발성, 광학적 재기록이 가능한 기계적 메모리를 결합하여, 결합된 열적 및 점탄성 이완 시간 척도를 통해 재프로그래밍 가능하고 이력 의존적인 소프트 액추에이션을 가능하게 하는 빛 구동 이중 네트워크 하이드로젤 액추에이터를 제시한다.
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생명체는 단순히 세상에 반응하는 것이 아니라, 세상을 기억합니다. 운동을 해온 근육은 휴식을 취한 근육과는 다르게 새로운 부하에 반응하며, 신경계는 과거의 경험을 바탕으로 미래의 신호를 처리하는 방식을 변경함으로써 학습합니다. 이러한 능력, 즉 물질이 어떻게 행동할지를 결정하는 내부 상태를 저장하는 능력은 생물학의 특징이지만, 대부분의 인공 기계에는 이러한 능력이 결여되어 있습니다. 예를 들어, 합성 로봇 팔은 고정된 일련의 명령어를 가지고 제작됩니다. 버튼을 누르면 정해진 거리만큼 움직이는 식입니다. 이 팔은 그 움직임을 통해 학습하지도 않고, 이전에 얼마나 많이 움직였는지에 따라 자신의 행동을 바꾸지도 않습니다. 과학자들은 오랫동안 중앙 컴퓨터 없이도 감지하고, 결정하고, 행동할 수 있는 장치를 만들기 위해 소프트 재료 안에 '물리적 지능'을 구현하고자 노력해 왔습니다. 과제는 이러한 재료가 단순히 일시적인 메아리가 아니라, 종이에 메모를 쓰고 지우는 것처럼 의도적으로 변경할 수 있는 안정적이고 다시 쓸 수 있는 상태로서 자신의 역사를 기억하게 만드는 것이었습니다.
브리스톨 대학교와 호주 국립 대학교의 연구진은 이러한 종류의 기계적 기억을 달성하는 부드러운 수성 재료를 개발했습니다. 그들은 빛에 노출될 때 휘어지는 젤리 같은 물질로 된 작은 막대 형태의 하이드로젤 액추에이터를 만들었습니다. 이 재료를 독특하게 만드는 것은 두 가지 서로 다른 행동을 하나의 구조 안에 결합했다는 점입니다. 젤의 한 부분은 빛에 즉각적으로 반응하여 빠르게 휘어진 후, 시간이 지나면서 긴장이 풀리는 스프링처럼 천천히 원래 모양으로 돌아갑니다. 젤의 다른 부분은 자신이 본 빛에 대한 기억을 유지하며, 며칠 동안 지속되는 방식으로 내부 강성을 변화시킵니다. 연구진은 이 두 부분을 연결함으로써, 평소보다 더 많이 혹은 덜 휘도록 훈련할 수 있고, 다시 원래의 행동으로 되돌리도록 재훈련할 수 있는 장치를 구축했으며, 이 모든 과정 동안 재료는 젖은 상태와 유연함을 유지했습니다.
이 재료는 두 개의 서로 얽힌 분자 네트워크로 구성됩니다. 첫 번째 네트워크는 금 나노입자와 온도 민감성 폴리머를 포함하고 있습니다. 이 젤에 레이저를 비추면 금 입자가 가열되어 폴리머를 수축시키고 막대를 휘게 만듭니다. 이 반응은 빠르고 가역적입니다. 빛을 끄면 젤은 식으면서 내부의 물이 재분배됨에 따라 천천히 원래의 직선 형태로 돌아옵니다. 만약 빛의 펄스가 긴 휴식 시간을 사이에 두고 반복된다면, 젤은 매번 시작 위치로 돌아옵니다. 그러나 펄스가 빠르게 연속되면 젤이 완전히 이완될 시간이 부족하여 휘어짐이 약간 축적됩니다. 이 현상은 재료가 최근의 사건을 잠시 기억하지만, 열이 발산되고 젤 내부의 물이 재분배됨에 따라 결국 잊어버리는 '리키 인테그레이터(leaky integrator, 누설 적분기)'라고 알려진 행동입니다.
젤에 영구적인 기억을 부여하기 위해, 연구진은 아조벤젠(azobenzene)이라는 특수 분자를 포함하는 두 번째 네트워크를 추가했습니다. 이 분자는 받는 빛의 색상에 따라 두 가지 다른 형태, 즉 이성질체 사이를 전환할 수 있습니다. 한 형태는 안정적이고 단단하며, 다른 하나는 덜 안정적이고 부드럽습니다. 결정적으로, 분자가 단단한 형태로 전환되면 특정 색상의 빛을 받아 다시 전환되기 전까지는 매우 오랫동안 그 상태를 유지합니다. 연구진이 이 이중 네트워크 젤을 제작했을 때, 막대가 휘어지는 경첩 부위의 강성은 아조벤젠 분자들이 어떤 형태에 있는지에 따라 달라진다는 것을 발견했습니다. 분자들이 단단한 형태에 있으면 레이저가 조사될 때 젤이 더 날카롭게 휘어졌고, 부드러운 형태에 있으면 덜 휘어졌습니다.
연구팀은 빛을 사용하여 젤에 새로운 행동을 '쓰는' 과정을 시연했습니다. 처음에 부드러운 상태였던 젤의 경첩 부위에 청색 레이저를 비춤으로써 분자들을 단단한 상태로 강제 전환했습니다. 이 훈련을 거친 후, 젤은 이전과 동일한 표준 레이저 펄스를 받았음에도 불구하고 훨씬 더 많이 휘어졌으며, 이 변화는 일시적인 효과가 아니라 며 days 동안 지속되었습니다. 연구진은 또한 이 기억을 지울 수 있다는 것을 보여주었습니다. 경첩 부위에 녹색 레이저를 한 시간 동안 비춤으로써 분자들을 다시 부드러운 상태로 전환했고, 젤은 원래의 덜 반응적인 행동으로 돌아갔습니다. 그들은 이 과정을 통해 재료를 건조시키거나 성능을 저하시키지 않고도 반복적으로 재프로그래밍할 수 있음을 증명했습니다.
이 연구는 행동의 변화가 단순한 피로 현상이나 재료의 손상에 의해 발생했다는 가설을 배제합니다. 젤은 단순히 지쳐서 휘어지지 않는 것이 아니라, 동일한 입력에 대해 어떻게 반응할지를 능동적으로 바꾼 것입니다. 또한, 이는 기억이 일부 '형상 기억' 재료에서 보이는 것처럼 건조에 의해 고정된 형태가 아님을 보여주었습니다. 대신, 기억은 재료 자체의 화학적 상태에 저장되었으며, 이는 작동 중인 젖은 젤의 기계적 특성을 변화시켰습니다. 연구진은 이 효과가 비대칭적이라는 것을 발견했습니다. 즉, 분자를 단단한 상태로 바꾸면 휘어짐이 증가했지만, 다시 되돌렸을 때 감소하는 방식은 완벽하게 대칭적이지 않았습니다. 이는 강성의 변화가 젤의 두께를 통한 힘의 전달 방식을 변화시켜, 재료의 이력에 의존하는 비선형적 반응을 생성함을 시사합니다.
이 발견의 의의는 우리가 소프트 머신을 생각하는 방식을 어떻게 바꾸느냐에 있습니다. 외부 센서와 컴퓨터에 의존하여 움직임을 결정하는 로봇을 만드는 대신, 이 재료는 그 자체의 구조 안에 의사결정 과정을 내포하고 있습니다. 이 재료는 실행을 통해 학습할 수 있고, 경험한 것에 기초하여 반응을 조정할 수 있으며, 상황이 변할 때 그 행동을 학습 해제할 수도 있습니다. 연구진은 이를 전자 공학에서 차용된 용어인 '메무리스티브(memristive)' 시스템이라고 설명하는데, 이는 저항이 이력에 따라 달라지는 소자를 뜻합니다. 이 경우, 젤의 기계적 저항은 흡수한 빛에 따라 변합니다. 빠른 반응 시스템과 느리고 지속적인 시스템을 결합함으로써, 연구팀은 정보를 저장하고 미래의 행동을 수정할 수 있는 재료를 만들어냈습니다. 이러한 접근 방식은 복잡한 외부 제어 시스템 없이도 상호작용을 통해 학습하고 행동을 적응시키는, 예측 불가능한 환경에서 작동하는 적응형 소프트 머신을 향한 새로운 길을 제시합니다.
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