바다나라

가오리 로봇? 세계가 놀란 한국 기술력

서강대-미국 하버드대 공동연구진 성과, 사이언스 표지 장식

동물의 생체 조직을 이식받아 전기의 힘을 빌리지 않고 스스로 움직일 수 있는 '바이오 하이브리드 로봇'이 세계 최초로 개발됐다.

과학자들은 동력을 공급하지 않아도 되는 로봇을 개발하기 위해 그동안 다양한 연구를 시도했지만, 그동안 생체 조직을 적용해 동력 없이 움직이는 로봇은 개발하지 못했다.

미래창조과학부는 최정우 서강대 교수와 박성진 미국 하버드대 박사, 케빈 키트 파커 하버드대 교수팀 등으로 구성된 '서강-하버드 질병 바이오물리 연구센터 공동연구팀'이 쥐의 세포 조직을 이용해 동력원이 없어도 움직이는 '바이오 하이브리드 로봇'(바이오 로봇)을 만들었다고 8일 밝혔다.

길이 16.3㎜, 10원짜리 동전만 한 크기의 바이오 로봇은 마치 가오리를 축소해 놓은 것 같은 모습이다. 무게는 10㎎에 불과하다.

로봇이 헤엄치는 모습 역시 가오리와 비슷하다. 크기가 작아 최대 속도는 초당 2.5㎜로 느린 편이다.

로봇이 가오리와 비슷하게 헤엄칠 수 있는 비결은 가오리를 본떠 만든 '근육 구조'에 있다. 연구진은 고분자 물질(PDMS) 위에 금을 붙여 뼈대를 만든 후, 그 위에 근육을 얹었다.

근육은 실제 쥐의 심장근육세포를 배양해 제작한 것이다. 근육에는 세포 20만 개가 들어갔다. 특히 이들 세포는 빛을 받으면 줄어들었다 펴지는 운동(수축-이완 운동)을 하도록 유전자가 변형됐기 때문에 빛을 받으면 로봇의 근육은 세포의 운동에 따라 움직이게 된다. 만일 로봇 한쪽 편에만 강한 빛을 주면 빛을 받은 쪽의 근육이 더 강하게 움직이기 때문에 방향을 바꾸는 것도 가능하다.

최 교수는 연합뉴스와의 통화에서 "바이오 로봇은 빛을 받아 움직인다"며 "그동안 세포를 이용해 로봇의 형상을 만들 수는 있었지만 전력 없이 실제로 구동하는 로봇을 만든 것은 이번이 처음"이라고 밝혔다. 그는 또 "이번 연구를 통해 생체 조직과 기계가 결합된 바이오 하이브리드 로봇의 가능성을 제시했다"고 연구의 의의를 밝혔다.

이번 연구는 미래부 해외우수연구기관유치사업(GRDC)으로 진행됐으며, 연구 결과는 '사이언스'(Science) 8일자에 표지논문으로 실렸다.(연합)

□ 미래창조과학부(장관 최양희)는 생체조직과 무기물의 결합으로 전기없이 움직일 수 있는 바이오 하이브리드 로봇(이하 바이오 로봇)을 국내 연구진과 해외 연구진이 공동연구를 통해 세계 최초로 개발하였다고 밝혔다.

※ 바이오 하이브리드 로봇 : 세포, 조직 등으로 이루어진 생체물질 부분과 무기물로 구성된 기계적인 부분이 결합된 로봇

□ 이번 연구는 미래창조과학부의 해외우수연구기관유치사업(GRDC) 지원을 통해 설립된 서강-하버드 질병 바이오물리 연구센터의 국제 공동연구진(서강대 최정우 교수 - 하버드대 케빈 키트 파커 교수와 박성진 교수 연구팀)이 수행하였으며, 연구 결과는 국제적으로 권위 있는 과학 학술지 사이언스(Science)지에 7월 8일자 표지 논문으로 게재되었다.

※ 논문명 : Phototactic guidance of a tissue-engineered soft-robotic ray

※ 저자 정보 : 케빈 키트 파커(Kevin Kit Parker)교수 (교신저자, 하버드대), 박성진 박사 (제1저자, 하버드대), 최정우 교수 (공동저자, 서강대 화공생명공학과)

□ 이번에 개발된 바이오 로봇은 생체세포와 무기물이 결합한 가오리 형태의 로봇으로 내부의 동력기관 없이 물속에서 유영이 가능하다.

o 빛의 자극에 반응하도록 조작한 세포를 로봇의 뼈대에 근육조직으로 배양하고, 근육이 빛의 빈도 등에 따라 수축-이완하게 함으로써 로봇이 움직이는 원리이다.

o 배양세포로는 쥐의 심근세포를 이용하였으며, 바이오 로봇의 근육구조와 물속에서 유영하는 움직임은 실제 가오리와도 유사하다.

□ 최근 로봇기술 분야는 인간과 유사한 바이오 로봇 개발에 높은 관심을 보이고 있는데 이번 연구는 인간처럼 세포로 구성된 바이오 로봇의 개발 가능성을 보여주었으며, 질병진단 기능의 바이오 센서 개발 등에도 활용될 것으로 기대된다.

□ 서강대 최정우 교수는 “이번 연구를 통하여 생체조직과 기계가 결합된 바이오 로봇의 가능성이 제시되었으며, 향후 인공 지능 기술과 결합하여 인간과 같은 로봇의 개발로까지 확장될 수 있는 토대를 마련하였다”고 연구의 의의를 밝히고,

o 이와 함께 “이번 성과는 국제공동연구 수행에 있어 우리 국내 연구역량의 경쟁력을 보여주는 사례”라며 자부심을 드러냈다.

□ 한편, 미래창조과학부 송경희 국제협력총괄담당관은 “이번 연구는 정부의 국제협력 연구개발(R&D) 지원 사업을 통하여 얻은 성과로, 정부의 종합적이고 체계적인 연구개발 정책 추진에 따라 가능하였다”라고 밝히며, “향후 국제 공동연구가 연구현장에 확산되어 이와 같은 의미있는 연구성과들이 지속적으로 도출되기를 희망한다”라고 밝혔다.

□ 금번 서강대-하버드대의 공동연구를 지원한 해외우수연구기관유치사업(GRDC)은 국내 연구기관과 글로벌 수준의 해외 우수연구기관이 국내에 공동연구센터를 설치하고 상호 인력교류 등을 통해 공동연구를 수행할 수 있도록 지원하는 사업으로,

o 국내 센터를 기반으로 한 국제공동연구 지원을 통해 해외 과학기술자원 유입의 활성화와 우수 기술 확보를 목표로 하고 있다.

o 이번 성과 외에도 연세대-프라운호퍼(독일) 의료기기 공동연구센터가 연구결과의 기술사업화에 성공하여 관련 참여기업인 ㈜누가의료기가 2014년 벤처천억기업에 선정된 바 있으며, 2015년에는 이화여대-CNRS(프랑스) 국제공동연구센터의 연구책임자인 우정원 교수가 성공적인 연구수행으로 프랑스 교육학술공로훈장을 받기도 하는 등 센터별로 다양한 성과들을 보이고 있다.

o 동 사업은 ‘05년부터 총 40개의 센터를 선정‧지원하였으며, 현재는 서강-하버드 질병 바이오물리 연구센터를 포함해 전국적으로 총 21개의 센터를 운영 중이다.

<참고자료> : 1. 논문 주요내용

2. 연구결과 개요

3. 연구이야기

4. 그림설명

5. 연구자 이력사항

1. 연구배경

ㅇ 최근 들어, 인간을 포함한 동물이나 물고기, 곤충 등의 기본구조 또는 메커니즘 등을 모방하여 생물체의 조직이나 근육처럼 부드럽고 유연하면서도 충분한 강도를 가지는 물질 (Soft material)과 이를 제어하는 기술을 개발하는 생체모방공학 (Biomimetics) 분야가 주목받고 있다. 특히, 생체모방로봇의 개발에 있어서 가장 중요한 요소는 생체모사 디자인을 정교하게 제작하고 인공적인 시스템으로 생명체의 메커니즘을 구현하여 로봇의 작동 효율을 높이는 것이라고 할 수 있다.

ㅇ 실제로 전기활성고분자나 형상기억합금, 가압유체 등이 실제 생명체와 생체모방로봇의 간극을 줄이는 물질로 이용되고 있으나 아직까지 신체 내 근육 운동의 정교한 모사에는 한계를 보이고 있고, 전기장이나 광학 자극에 반응할 수 있는 바이오센서(Biosensor)와 바이오엑추에이터(Bioactuator)기술이 생체모방로봇 제작에 유용한 기술로 이용가능할 것으로 보여지고 있다. 더불어 유전공학 기술(Genetic engineering)과 조직공학 기술(Tissue engineering)의 발전은 전기적, 광학적 자극에 대한 반응을 보다 오랜 시간동안 넓은 공간 범위에서 정교하게 조절하여 바이오센서(Biosensor)와 바이오엑추에이터(Bioactuator)기술의 기여도를 높일 수 있을 것으로 기대된다.

ㅇ 서강-하버드 질병바이오물리 연구센터의 공동 연구팀은 이번 논문에서 고분자 물질, 조직공학 기술 그리고 광유전학 기술 (Optogenetics)의 융합을 통하여 빛과 전기적 자극에 반응하여 정교한 이동제어를 할 수 있는 생체모방 바이오로봇 가오리 (Tissue-engineered soft-robotic ray)를 개발하였다.

2. 연구내용

ㅇ 고분자 탄성 중합체(polydimethylsiloxane, PDMS)와 쥐의 심근세포를 이용하여 가오리의 생체 구조를 모사한 생체 모방 바이오 로봇 가오리를 제작하였으며, 빛의 자극에 따라 생체 모방 로봇 가오리의 이동을 제어할 수 있음을 밝혀냈다.

ㅇ 고분자 탄성 중합체로 구성된 몸체에 금을 증착해서 뼈대를 구성하고 그 뼈대에 심근세포를 배양하여 바이오 로봇의 근육조직을 만들었으며, 생체 모방 로봇 가오리에 배양된 근육 구조가 실제 가오리의 근육 구조와 일치함을 확인하였다.

ㅇ 생체 모방 바이오 로봇 가오리를 구성하는 심근세포는 광감성 이온 채널 단백질 (ChR2)을 발현하도록 유전자 조작이 되어있어 바이오 로봇 가오리 날개가 외부 광 자극에 의해 순차적으로 수축-이완 운동을 하도록 하며, 수축-이완 운동의 속도와 정밀함은 고분자 탄성 중합체 몸체의 주름진 정도를 조절하여 제어할 수 있다.

ㅇ 생체 모방 바이오 로봇은 실제 가오리의 운동과 유사한 운동을 보이며최대 2.5mm/sec의 속도로 움직인다는 것을 양 날개의 수축-이완 운동의 동력학적, 유체역학적 분석을 통해 수 있음을 확인하였다.

ㅇ 또한 생체 모방 바이오 로봇 가오리의 양 날개에 가하는 광 자극의 빈도를 조절하여 각 날개의 수축-이완 운동을 개별적으로 조절함으로써 로봇 가오리의 이동뿐만 아니라 방향전환도 가능함을 확인하였다.

ㅇ 본 연구결과는 심근세포를 이용하여 실제 가오리와 유사한 근육 구조뿐만 아니라 운동 양상까지 모사한 생체 모방 바이오 로봇 가오리에 대한 세계 최초의 연구 보고이며, 세계 최고 권위의 학술지인‘Science'에 발표하였다.

3. 기대효과

ㅇ 향후 세포와 기계로 결합된 바이오 로봇 개발에 기여할 것이며, 광유전 기술을 이용한 질병진단 기능의 바이오 센서 개발에도 기여할 것으로 기대된다.

ㅇ 또한 동물의 근육 구조 모사 및 외부 광 자극을 통한 동작 재현을 통해서 외부 자극에 대한 적절한 반응을 보이는‘인공 동물 (Artificial animal)’의 개념도 새롭게 제시할 수 있을 것으로 보인다.

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

(A) 가오리 외부 구조 (B) 가오리 내부 구조

(C) 가오리 형태 바이오 로봇 제작도 (D) 바이오 로봇 구동 원리