빛으로 빛을 제어..."회로 없는 로봇 개발 가능"

하버드 존 폴슨 공학응용과학대(SEAS, School of Engineering Applied Science)의 연구진이 맥마스터 대학과 피츠버그대학 연구원들과 공동으로 빛으로 연산할 수 있는 새로운 플랫폼을 개발했다.

현재 대부분 연산은 금속 와이어, 반도체, 포토다이오드 등과 같은 무기질 재료를 사용해 전자 장치를 빛에 연결한다. 하지만 연구팀은 기존 광학 컴퓨팅의 기본 개념이 아닌 빛으로 빛을 제어하는 ​​방법이다.

연구 결과는 국립과학원(PNAS) 회보에 논문명 ‘광반응성 겔에서 광화학-기계적 변환은 원격 상호작용으로 스위치 전환 가능한 스스로 가두는 연결된 빔을 유도(Opto-chemo-mechanical transduction in photoresponsive gels elicits switchable self-trapped beams with remote interactions)’로 2월 25일(현지시각) 게재됐다.

이 플랫폼은 빛의 강도에 따라 굴절률을 변화시키는 소위 비선형 재료에 의존한다. 이러한 재료를 통해 빛을 비추면 빔 경로 굴절률이 높아져 자체적으로 파장 가이드가 도파관(waveguide)을 생성한다. 현재 대부분의 비선형 재료는 고출력 레이저가 필요하거나 빛의 투과로 영구적으로 변경된다.

연구진은 낮은 레이저 출력으로 하이드로겔에서 가역적인 팽창과 수축을 사용해 굴절률을 변경하는 근본적인 새로운 재료를 개발했다.

하이드로겔은 스펀지와 같이 물로 부풀어 오르는 폴리머 네트워크(polymer network)와 스피로피란(spiropyran, 전환렌즈를 착색하는 데 사용되는 분자와 유사)으로 알려진 소수의 광반응성 분자로 구성된다. 빛이 겔을 통해 비춰질 때, 빛 아랫부분이 소량 수축해 폴리머를 집중시키고 굴절률을 변화시킨다. 라이트가 꺼지면 겔은 원래 상태로 돌아간다.

여러 개의 빔이 재료를 통해 비치면 심지어 먼 거리에서도 상호작용하고 서로 영향을 준다. 즉 빔 A는 빔 B를 억제할 수 있고, 빔 B는 빔 A를 억제할 수 있다. 둘 다 서로를 상쇄하거나 둘 다 통과할 수 있기 때문에 광학 논리게이트를 만들 수 있다.

맥매스터 화학생물학 칼리첼비 사라바나무투(Kalaichelvi Saravanamuttu) 교수는 “이 빔들은 서로 분리되어 있어도 서로를 보고 변한다”며, “장기적으로 이러한 지능형 응답성을 사용해 컴퓨팅 운영 설계를 상상할 수 있다”고 말했다.

사라바나무투 연구실 대학원생인 데릭 모림(Derek Morim)은 “빛이 있으면 광학, 화학, 물리적 특성을 가역적으로 전환하는 감광성 재료를 설계할 수 있다”며, “이러한 변화를 이용해 빛의 통로를 만들거나 스스로 연결된 광선을 만들어서 빛을 유도하고 제어할 수 있다”고 말했다.

에이미 스미스 베릴슨Amy Smith Berylson) SEAS 재료과학 교수는 “재료과학은 변하고 있다”며, “환경에 반응해 자기 특성을 최적화할 수 있는 자기조절 적응재료는 정적이고, 에너지가 비효율적인 외부에서 조절되는 아날로그를 대체한다”고 말했다.

매우 작은 강도로 빛을 제어할 수 있는 ​​가역적으로 반응하는 재료는 미래 유망기술 혁명이 될 수 있다. 상상해 보라. 스스로 가두는 빔은 광학 상호연결, 이미지 전송, 빛의 경로 변경, 회로가 없는 빛으로 유도되는 빛(light-guiding-light) 신호 프로세싱, 빛에 의해 구동되는 완전히 부드럽고 회로가 없는 로봇을.

아스팩미래기술경영연구소/김들풀 기자 itnews@