충전 가능한 태양 전지를 탑재한 사이보그 곤충을 개발

충전 가능한 태양 전지를 탑재한 사이보그 곤충을 개발

이화학 연구소는 2022년 9월 5일, 곤충의 움직임을 해치지 않는 

초박형 유기 태양 전지를 탑재한 재충전과 무선 통신이 가능한 사이보그 곤충을 개발했다고 발표했다.

와세다 대학, 싱가포르 난양 공대 국제 공동 연구 성과이다.

 

이번 연구에서는 몸길이 약 6cm의 곤충(마다가스카르 바퀴벌레)를 이용하고 사이보그 곤충을 개발했다.곤충의 복부 배측에 두께 4μm의 초박형 유기 태양 전지 모듈을, 흉부 배측에 무선 이동 제어 모듈과 리튬 폴리머 전지를 부드러운 배낭을 통해서 장착했다.

배낭은 곤충의 정확한 3D모델을 바탕으로 탄성 중합체를 이용하여 3D프린터로 제작.배낭의 접착 면은 곤충의 개체에서 형상에 차이가 있더라도 안정적으로 구현할 수 있도록 흉부 배측의 곡면 형상과 일치한 구조로 설계했다.또한 곤충과 배낭의 접착은 번식 환경에서 1개월 후에도 유지되고 있는 것을 확인하고 있다.

사이보그 곤충의 개요와 3D프린트 배낭[클릭으로 확대]출처:이화학 연구소

초박형 유기 태양 전지의 설치에는 복부의 움직임의 자유도를 확보하기 때문에 접착 영역과 비 접착 영역을 번갈아 배치하는 "징검다리 구조"를 채용했다.이에 의한 복부가 굴곡되는과 초박막 유기 태양 전지의 기판인 폴리머 필름이 밖으로 휘는 곤충의 움직임을 막지 않는다.

초박형 유기 태양 전지의 복부 실장 출처:이화학 연구소

징검다리 구조의 효율성을, 곤충이 장애물을 지나가는 시간을 사용하여 평가한 결과 배를 두꺼운 필름으로 고정하면 장애물을 통과하는 데 필요한 시간이 길어졌다.한편 두께 3μm의 필름을 징검다리 구조에서 구현한 경우는 필름이 없을 경우와 거의 같은 시간에 통과한.

장애물 답파 시험(기준자는 10mm)[클릭으로 확대]출처:이화학 연구소

이어 땅에 엎어진 곤충이 원래의 자세에 돌아갈지를 평가하는 기키상가리 시험을 실시했다.그 결과 필름이 두텁게 일어나다 성공률이 떨어지고 두께 2μm과 얇은 필름에서도 징검다리 구조 없는 경우 성공률이 10%에 그쳤다.두께 4μm의 초박형 유기 전지 모듈을 징검다리 구조에서 설치한 시 기키상가리 성공률은 100%이며 곤충의 움직임을 확보하려면 충분히 얇은 필름과 징검다리 구조의 조합이 중요한 것으로 확인됐다.

기키상가리 시험(기준자는 10mm)출처:이화학 연구소

또, 초박형 유기 태양 전지 모듈의 출력은 최대 17.2mW로 사이보그 곤충을 이용하여 환경 데이터를 취득하기 위해서 필요하다 10mW를 넘었다.

산 사이보그 곤충을 이용한 충전과 무선 이동 제어의 실증 실험에서는 우선 유사 태양 광선을 30분간 조사하고, 전지를 충전했다.그 전력을 이용하여 제어 신호를 곤충에 무선 수신하고 오른쪽 방향으로의 이동 제어를 시도하자 거듭 성공한.

행동을 제어하기 위한 작은 집적 회로를 갖춘 사이보그 곤충은 사람이 도달하기 어려운 환경에서도 활동할 수 있어 도시형 수색 구조 환경 모니터링 등의 용도로 기대되고 있다.그러나 큰 디바이스를 달면 곤충의 운동 능력을 훼손하기 때문에 충분한 출력이 가능한 발전 장치를 부착하고, 곤충의 운동 능력을 유지하는 것은 그동안 어려웠다.