소프트 로보틱스는 순응성 있는 재료를 사용함으로써 기존의 경직된 로봇 시스템에 비해 상당한 개선을 제공하며 빠르게 발전해 왔다. 그러나 현재의 접근법은 복잡한 ‘top-down’(상향식이 아닌 상향식-제작이 아닌) 제작 기법에 의존한다는 점, 그리고 마이크로스케일에서의 무선 동력 공급 및 제어의 어려움이라는 핵심 과제에 직면해 있다. 스웜 로보틱스는 다수의 로봇 단위 사이에서 협동적이고 적응적인 행동을 달성하기 위해 집단 역학을 활용한다는 패러다임 전환을 제시한다. 자연에서 영감을 받은 이러한 ‘bottom-up’(하향식) 접근은 스웜 로봇이 과업 특이적 재구성을 수행할 수 있게 하여 유연성과 견고성을 향상시킨다. 전기장 구동 활성 콜로이드(field-driven active colloids)는 스웜 마이크로로보틱스를 위한 유망한 플랫폼으로 부상하고 있으며, 외부장 자극과 조작 하에서 자체 추진과 자기조직화를 통해 역동적인 집단 패턴으로 정렬될 수 있다. 이러한 시스템은 집합 비행(flocking)과 소용돌이 형성(vortex formation)과 같은 생물학적으로 영감을 받은 스웜 행동을 모방하여, 혁신적인 스웜 마이크로로봇 설계를 위한 다목적 기반을 제공한다. 본 총설에서는 전기 및 자기장 구동 집단 자기조직화의 원리를 논의하되, 입자 동역학, 집단 스웜 패턴의 출현, 그리고 기능성 스웜 마이크로로봇의 예시를 중심으로 다룬다. 마지막으로, 이러한 시스템을 적응적이고 확장 가능하며 다기능적인 마이크로로보틱스 응용에 활용하기 위한 향후 관점을 제시한다.

미세가공은 고정밀의 복잡한 전극 구조를 제작할 수 있게 함으로써 lab-on-chip 장치의 발전에 핵심적이다. 일반적으로 미세 패턴 전극을 제작하는 데 사용되는 전통적 포토리소그래피는 복잡하고 다단계의 공정을 필요로 하며, 그에 따라 비용과 시간이 많이 소요될 수 있다. 본 연구에서는 전극 제작을 위해 3D 프린팅 그림자 마스크(shadow mask)를 사용하는 방법을 제시하며, 이는 전통적 방법에 비해 더 단순하고 비용 효율적인 대안을 제공한다. 구체적으로, fused deposition modeling 3D 프린터를 활용함으로써 3D 프린팅 그림자 마스크가 미세 패턴 전극의 신속한 시제품 제작을 다양한 설계—단순한 선부터 복잡한 패턴에 이르기까지—에 걸쳐 간소화할 수 있음을 입증하였다. 3D 프린팅 그림자 마스크로 제작된 전극의 lab-on-chip 기능을 평가하기 위해, 전극에서 전기장 구동 방식의 미세입자 조립을 조사하였다. 전극의 미세 패턴 설계는 조립 패턴을 원격으로 유도하여, 명확히 정의된 다수의 사슬과 비등방성 구조가 형성되도록 하였다. 이러한 결과는 3D 프린팅 그림자 마스크가 제작 공정을 단순화할 뿐 아니라, 고급 lab-on-chip 응용에 요구되는 정밀도 또한 유지함을 시사한다. 제안된 방법은 복잡한 미세 패턴 전극의 보다 접근 가능하고 확장 가능한 제조를 위한 기반을 마련할 수 있을 것이다.

적응적이며 다양한 기능에 대응하도록 동적으로 재구성 가능한 상호작용 활성 유닛들의 자기조립 군집은 차세대 로보틱스 개발을 위한 유망한 플랫폼을 이룬다. 여기서는 중첩되는 우물(wells)들의 준-2차원 배열에 구속된 활성 자성 콜로이드의 출현적 집단 거동을 활용하여, 수동 화물 입자들의 제어된 수송이 가능한 동적 펌프 아키텍처로 콜로이드 군집이 자기조직화하는 과정을 보여준다. 이러한 동적 아키텍처는 시스템 전체 길이를 따라 전역적 단방향 순환 흐름 패턴을 제공한다. 또한 구동 자기장이 군집을 에너지화하는 과정에서 위상 천이를 가함으로써, 동적 군집 기반 펌프의 흐름 방향을 외부에서 제어할 수 있음을 입증한다. 실험 관찰은 얕은 수심 얕은-물 Navier-Stokes(나비에-스토크스) 수력역학과 결합된 현상론적 거친입자 동역학에 기반한 계산 모델링으로 뒷받침된다. 본 연구 결과는 활동성(activity)과 구속 퍼텐셜(confinement potentials) 사이의 상호작용을 활용함으로써, 군집의 출현적 집단 거동이 원하는 기능으로 어떻게 조율될 수 있는지를 보여준다.

활성 유체는 흔히 국소화된 소용돌이가 나타나는 결과로 이어지는 복잡한 집단 거동과 자기조직화 특성을 보여준다. 우리는 활성 롤러 유체에서 형성되는 전역적으로 상관된 소용돌이 격자(globally correlated vortex lattices)의 자발적 생성에 대해, 실험과 계산을 결합한 연구를 보고한다. 이 소용돌이들은 자기적 특성을 갖는 활성 강자성 롤러(active ferromagnetic rollers)로 이루어져 있으며, 자기조직화된 소용돌이를 국소화하도록 유도하는 패턴화된 기판 위에 배치된다. 그 결과 정사각형(square) 대칭성을 갖는 격자에서 소용돌이가 형성된다. 각 개별 소용돌이는 자신의 키랄 상태(시계방향 또는 반시계방향)를 자발적으로 선택한다. 그럼에도 불구하고 정사각형 격자에 국한되면, 서로 상호작용하는 활성 소용돌이들의 앙상블은 인접 소용돌이의 키랄 상태들 사이에 상관을 발전시킬 수 있다. 우리는 이러한 활성 소용돌이 앙상블이 소용돌이도(vorticities)의 반강자성(antiferromagnetic) 배열과 함께 전역적으로 상관된 상태로 자발적으로 진화할 수 있음을 보인다. 또한 가둠 격자의 기하학적 형상이 변화할 때, 인접한 소용돌이 쌍의 키랄 상태 간 상관관계를 탐구한다. 이러한 결과는 천수(얕은 물) Navier-Stokes 수력학(소용돌이 역학)을 결합한 현상론적(coarse grained) 입자 동역학에 기반한 수치 시뮬레이션으로 지지된다. 우리는 자기 롤러에 의해 형성된 이러한 정렬된 소용돌이 격자가, 집단 소용돌이 상태를 위한 최적 조건을 넘어서는 활동(active) 영역에서도 반강자성 질서(antiferromagnetic order)를 자기치유(self-heal)하고 개별 소용돌이성 소용돌이 상태를 안정화할 수 있음을 보여준다. 본 결과는 기하학적 구속이 존재하는 조건에서 활성 자기 롤러 유체의 집단 거동에 대한 통찰을 제공한다.

소프트 로보틱스는 순응성 있는 재료를 사용함으로써 기존의 경직된 로봇 시스템에 비해 상당한 개선을 제공하며 빠르게 발전해 왔다. 그러나 현재의 접근법은 복잡한 ‘top-down’(상향식이 아닌 상향식-제작이 아닌) 제작 기법에 의존한다는 점, 그리고 마이크로스케일에서의 무선 동력 공급 및 제어의 어려움이라는 핵심 과제에 직면해 있다. 스웜 로보틱스는 다수의 로봇 단위 사이에서 협동적이고 적응적인 행동을 달성하기 위해 집단 역학을 활용한다는 패러다임 전환을 제시한다. 자연에서 영감을 받은 이러한 ‘bottom-up’(하향식) 접근은 스웜 로봇이 과업 특이적 재구성을 수행할 수 있게 하여 유연성과 견고성을 향상시킨다. 전기장 구동 활성 콜로이드(field-driven active colloids)는 스웜 마이크로로보틱스를 위한 유망한 플랫폼으로 부상하고 있으며, 외부장 자극과 조작 하에서 자체 추진과 자기조직화를 통해 역동적인 집단 패턴으로 정렬될 수 있다. 이러한 시스템은 집합 비행(flocking)과 소용돌이 형성(vortex formation)과 같은 생물학적으로 영감을 받은 스웜 행동을 모방하여, 혁신적인 스웜 마이크로로봇 설계를 위한 다목적 기반을 제공한다. 본 총설에서는 전기 및 자기장 구동 집단 자기조직화의 원리를 논의하되, 입자 동역학, 집단 스웜 패턴의 출현, 그리고 기능성 스웜 마이크로로봇의 예시를 중심으로 다룬다. 마지막으로, 이러한 시스템을 적응적이고 확장 가능하며 다기능적인 마이크로로보틱스 응용에 활용하기 위한 향후 관점을 제시한다.

미세가공은 고정밀의 복잡한 전극 구조를 제작할 수 있게 함으로써 lab-on-chip 장치의 발전에 핵심적이다. 일반적으로 미세 패턴 전극을 제작하는 데 사용되는 전통적 포토리소그래피는 복잡하고 다단계의 공정을 필요로 하며, 그에 따라 비용과 시간이 많이 소요될 수 있다. 본 연구에서는 전극 제작을 위해 3D 프린팅 그림자 마스크(shadow mask)를 사용하는 방법을 제시하며, 이는 전통적 방법에 비해 더 단순하고 비용 효율적인 대안을 제공한다. 구체적으로, fused deposition modeling 3D 프린터를 활용함으로써 3D 프린팅 그림자 마스크가 미세 패턴 전극의 신속한 시제품 제작을 다양한 설계—단순한 선부터 복잡한 패턴에 이르기까지—에 걸쳐 간소화할 수 있음을 입증하였다. 3D 프린팅 그림자 마스크로 제작된 전극의 lab-on-chip 기능을 평가하기 위해, 전극에서 전기장 구동 방식의 미세입자 조립을 조사하였다. 전극의 미세 패턴 설계는 조립 패턴을 원격으로 유도하여, 명확히 정의된 다수의 사슬과 비등방성 구조가 형성되도록 하였다. 이러한 결과는 3D 프린팅 그림자 마스크가 제작 공정을 단순화할 뿐 아니라, 고급 lab-on-chip 응용에 요구되는 정밀도 또한 유지함을 시사한다. 제안된 방법은 복잡한 미세 패턴 전극의 보다 접근 가능하고 확장 가능한 제조를 위한 기반을 마련할 수 있을 것이다.

적응적이며 다양한 기능에 대응하도록 동적으로 재구성 가능한 상호작용 활성 유닛들의 자기조립 군집은 차세대 로보틱스 개발을 위한 유망한 플랫폼을 이룬다. 여기서는 중첩되는 우물(wells)들의 준-2차원 배열에 구속된 활성 자성 콜로이드의 출현적 집단 거동을 활용하여, 수동 화물 입자들의 제어된 수송이 가능한 동적 펌프 아키텍처로 콜로이드 군집이 자기조직화하는 과정을 보여준다. 이러한 동적 아키텍처는 시스템 전체 길이를 따라 전역적 단방향 순환 흐름 패턴을 제공한다. 또한 구동 자기장이 군집을 에너지화하는 과정에서 위상 천이를 가함으로써, 동적 군집 기반 펌프의 흐름 방향을 외부에서 제어할 수 있음을 입증한다. 실험 관찰은 얕은 수심 얕은-물 Navier-Stokes(나비에-스토크스) 수력역학과 결합된 현상론적 거친입자 동역학에 기반한 계산 모델링으로 뒷받침된다. 본 연구 결과는 활동성(activity)과 구속 퍼텐셜(confinement potentials) 사이의 상호작용을 활용함으로써, 군집의 출현적 집단 거동이 원하는 기능으로 어떻게 조율될 수 있는지를 보여준다.

활성 유체는 흔히 국소화된 소용돌이가 나타나는 결과로 이어지는 복잡한 집단 거동과 자기조직화 특성을 보여준다. 우리는 활성 롤러 유체에서 형성되는 전역적으로 상관된 소용돌이 격자(globally correlated vortex lattices)의 자발적 생성에 대해, 실험과 계산을 결합한 연구를 보고한다. 이 소용돌이들은 자기적 특성을 갖는 활성 강자성 롤러(active ferromagnetic rollers)로 이루어져 있으며, 자기조직화된 소용돌이를 국소화하도록 유도하는 패턴화된 기판 위에 배치된다. 그 결과 정사각형(square) 대칭성을 갖는 격자에서 소용돌이가 형성된다. 각 개별 소용돌이는 자신의 키랄 상태(시계방향 또는 반시계방향)를 자발적으로 선택한다. 그럼에도 불구하고 정사각형 격자에 국한되면, 서로 상호작용하는 활성 소용돌이들의 앙상블은 인접 소용돌이의 키랄 상태들 사이에 상관을 발전시킬 수 있다. 우리는 이러한 활성 소용돌이 앙상블이 소용돌이도(vorticities)의 반강자성(antiferromagnetic) 배열과 함께 전역적으로 상관된 상태로 자발적으로 진화할 수 있음을 보인다. 또한 가둠 격자의 기하학적 형상이 변화할 때, 인접한 소용돌이 쌍의 키랄 상태 간 상관관계를 탐구한다. 이러한 결과는 천수(얕은 물) Navier-Stokes 수력학(소용돌이 역학)을 결합한 현상론적(coarse grained) 입자 동역학에 기반한 수치 시뮬레이션으로 지지된다. 우리는 자기 롤러에 의해 형성된 이러한 정렬된 소용돌이 격자가, 집단 소용돌이 상태를 위한 최적 조건을 넘어서는 활동(active) 영역에서도 반강자성 질서(antiferromagnetic order)를 자기치유(self-heal)하고 개별 소용돌이성 소용돌이 상태를 안정화할 수 있음을 보여준다. 본 결과는 기하학적 구속이 존재하는 조건에서 활성 자기 롤러 유체의 집단 거동에 대한 통찰을 제공한다.

연성 물질(soft matter) 분야는 빠르게 성장하며 기존의 물질과학 및 공학의 한계를 넓혀가고 있다. 연성 물질은 열적 요동과 외부 힘에 의해 쉽게 변형되는 물질을 의미하며, 이를 통해 환경에 대한 더 나은 적응과 상호작용이 가능해진다. 이러한 발전은 신축성 전자소자, 소프트 로보틱스, 마이크로플루이딕스(microfluidics)와 같은 응용 분야에서의 기회를 열어주었다. 특히 연성 물질은 마이크로플루이딕스에서 핵심적인 역할을 하는데, 이 영역에서는 마이크로 스케일에서의 점성력(viscous forces)이 동적 재료 거동을 제어하고 기능성 장치를 구동하는 데 어려움을 제기한다. 자기장 및 전기장과 같은 외부장을 통해 분산된 콜로이드 입자를 활성화하고 제어할 수 있는 장(field)-구동 능동 콜로이드 시스템(field-driven active colloidal systems)은 지능형 기능성 장치를 구축하기 위한 유망한 모델 시스템이다. 본 총설은 장-구동 집합적 패턴으로부터 지능형 기능성 장치를 구성하는 데 초점을 맞추며, 구체적으로 계층적으로 질서화된 구조의 동적 구조화(dynamic structuring)를 다룬다. 이러한 구조는 콜로이드 빌딩 블록(colloidal building blocks)으로부터 자기조직화(self-organization)되며, 형태 변환과 자기치유와 같은 지능형 기능을 구현할 수 있는 재구성 가능한 집합적 패턴을 나타낸다. 본 총설은 장-구동 입자 동적 거동의 기본 메커니즘과, 입자-입자 상호작용이 동적 구조의 집합적 패턴을 어떻게 결정하는지를 명확히 한다. 마지막으로 본 총설은 대표적인 응용 분야와 향후 연구 방향을 제시하며 마무리한다.

마이크로전극 패터닝은 랩온어칩(lab-on-a-chip) 장치에서 필수적이며, 전기장의 국소화를 가능하게 하여 고급 입자 조작을 뒷받침한다. 기존 광식각(photolithography)은 정밀하긴 하지만 전극 패터닝에 있어 비용이 많이 들고 복잡하다. 비용 효율적이고 누구나 접근 가능한 대안으로서, 우리는 마이크로전극 패터닝에 사용하기 위한 섀도 마스크(shadow mask)를 제작하기 위해 스테레오리소그래피 장치(Stereolithography apparatus, SLA) 3D 프린팅을 활용하였다. 이러한 SLA 3D 프린팅 섀도 마스크를 사용하여 복잡한 형상을 갖는 금(gold) 마이크로전극을 성공적으로 패터닝하였다. 또한 마이크로 패터닝된 전극에서 전기장을 정밀하게 국소화하면 유전영동(dielectrophoretic) 조립 및 콜로이드 입자의 분리가 유도될 수 있음을 입증하였다. 이러한 실험 결과는 더 나아가 전기장에서의 주파수 의존적 동적 입자 거동을 설명하는 해석적 계산 및 수치 시뮬레이션에 의해 지지된다. 종합하면, 본 연구의 결과는 SLA 3D 프린팅이 고해상도 마이크로전극 제작을 위한 실용적이고 저비용의 전략을 제공하며, 바이오센싱, 마이크로플루이딕스(microfluidics), 나노디바이스 통합을 포함하는 랩온어칩 시스템 전반에 폭넓게 적용 가능함을 확인한다.

암 치료법 가운데 면역관문차단(immune checkpoint blockade, ICB)은 종양에 대한 항종양 면역 반응을 실질적으로 향상시키는 주요 접근법으로 부상하였다. 그러나 ICB의 효능은 종양 미세환경 내에 기존의 면역 반응이 없는 경우에 흔히 제한된다. 본 연구에서는 인공 3차 림프조직(artificial tertiary lymphoid structures, aTLS)의 형성을 촉진하기 위해 설계된 새로운 계층적 단백질 하이드로겔 플랫폼을 소개하며, 이를 통해 ICB 효능을 개선하고자 하였다. 자가조립 페리틴 단백질 나노케이지, rec1-resilin 단백질, 그리고 CP05 펩타이드를 통합함으로써, 이러한 계층적 하이드로겔은 구조적으로 지지력을 제공하는 동시에 기능적으로 적응 가능한 지지체로서, 완만한 열 처리에 반응하여 필요에 따라 자기수복을 수행할 수 있다. CP05 펩타이를 통해 세포외 소포(extracellular vesicles, EVs)를 효과적으로 캡슐화함으로써, 계층적 하이드로겔 내에서 수정(배아) 중심(germinal center)과 유사한 구조를 갖는 aTLS 형성이 가능함을 확인하였다. 또한 ICB 치료와 병용 시, EV 탑재 계층적 하이드로겔은 종양 내에서도 TLS를 유도하여, ICB 내성 종양에 대한 면역 반응을 현저히 촉진함을 입증하였다. 이러한 생체활성 하이드로겔 플랫폼은 광범위한 면역치료를 강화하기 위한 다목적 도구를 제공하며, TLS를 넘어 복잡한 조직 구조를 지지하는 다른 프레임워크로의 잠재적 확장 적용 가능성을 지닌다.

환경 조건의 변화에 따라 광학적 성질이 달라지는 복합 재료는 디스플레이, 스마트 윈도우, 광학 센서에 응용될 수 있다. 여기서는 자극에 적응하는 광학적 투과도를 갖는 2상 복합체의 한 계열을 소개한다. 2상 복합체는 물(물, 글리세롤, 계면활성제의 혼합물)로 이루어진 수용액 방울을 탄성중합체 매트릭스 안에 포접하여 구성한다. 2상 복합체는 수용액 방울과 탄성중합체 매트릭스 사이의 굴절률을 정밀하게 일치시킴으로써 광학적으로 투명하도록 조정하였다. 우리는 자극(예: 염도 및 온도 변화)이 2상 복합체의 광학적 투과도에 변화를 유발할 수 있음을 입증한다. 액체 포접체를 포함한 투명도 변화 연성물질의 도입은 고급 광학 장치, 광학 센서, 메타물질을 설계하기 위한 새로운 접근법을 제공한다.