스위스 취리히 연방공과대, 초음파로 작동하는 "인공 근육" 개발

하이커뮤니티매니져 0 10 09:58

국제 학술지 ‘네이처(Nature)’에 연구 논문 발표

▲미세 기포로 만든 가오리 로봇

초음파 자극만으로 작동하는 새로운 인공 근육이 개발됐다. 수천 개의 미세 기포(microbubbles)을 활용한 이 기술은 정밀한 약물 전달과 최소 침습 의료 시술에 활용될 것으로 기대된다.

스위스 취리히 연방공과대학(ETH Zurich) 다니엘 아메드(Daniel Ahmed) 교수팀은 초음파에 반응하는 유연한 실리콘 막 형태의 인공 근육을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 네이처(Nature)에 게재됐다. (논문 제목:Ultrasound-driven programmable artificial muscles)

연구팀은 특정 미세구조를 가진 주조 틀을 사용해 인공 근육을 제작했다. 이렇게 만들어진 실리콘 막의 하단에는 깊이와 직경이 각각 약 100마이크로미터(사람 머리카락 굵기 정도)인 작은 기공들이 배치돼 있다. 이 막을 물에 담그면 미세 기포들이 기공에 갇히게 된다.

여기에 음파를 가하면 미세 기포들이 진동하기 시작하고, 근육을 움직이는 방향성 있는 흐름을 만들어낸다. 미세 기포들의 크기, 모양, 위치를 정밀하게 제어할 수 있으며, 균일한 곡선부터 물결 모양 패턴까지 다양한 움직임을 만들어낼 수 있다. 인공 근육은 밀리초 단위로 반응하며 무선으로 제어할 수 있다.

▲미세 기포로 만든 인공근육

연구팀은 이 인공 근육을 활용해 여러 실험을 진행했다. 연구팀은 우선 부드러운 소형 그리퍼를 제작해 물 속에 있는 제브라피쉬 유충을 부드럽게 잡았다가 다시 풀어주는 데 성공했다.

논문 제1저자인 즈위안 장(Zhiyuan Zhang) 연구원은 “그리퍼가 얼마나 정밀하면서도 부드럽게 작동하는지 보는 것이 놀라웠다. 유충은 다치지 않은 채 헤엄쳐 갔다”고 말했다.

연구팀은 물결 모양 움직임을 보여주기 위해 작은 가오리를 닮은 로봇도 제작했다. 폭이 약 4cm인 이 로봇은 두 개의 인공 근육으로 가슴지느러미 기능을 모방했다. 여기에 초음파 자극을 가하면 근육에 물결 모양 움직임이 만들어지면서 소형 로봇이 물 속을 미끄러지듯 이동할 수 있다.

다니엘 아메드 교수는 “물결 모양 운동은 우리에게 정말 하이라이트였다”며 “미세 기포를 사용해 단순한 움직임뿐만 아니라 살아있는 유기체처럼 복잡한 패턴도 구현할 수 있다”고 말했다.

▲캡슐 안에 가오리 로봇을 넣어 돼지 심장에서 테스트하고 있는 모습

연구팀이 ‘스팅레이봇’이라고 부르는 이 장치는 사람의 위장에서 활용될 수 있다. 높은 정밀도로 약물을 위장에서 방출하거나 최소 침습 시술을 지원할 수 있다. 연구팀은 스팅레이봇을 위장 속으로 운반하는 방법도 구상하고 있다. 로봇을 특별히 개발된 캡슐에 넣어 환자가 삼키도록 한 뒤, 위에서 캡슐을 녹이는 방식이다.

연구팀은 서로 다른 크기의 미세 기포가 포함되어 있는 작은 바퀴 모양의 실리콘 구조물도 제작했다. 돼지의 창자를 대상으로 진행된 실험에서 연구팀은 서로 다른 크기의 미세 기포를 순차적으로 자극해 장의 굴곡을 통과할 수 있다는 것을 입증했다.

또 다른 제1저자인 잔스(Zhan Shi) 연구원은 “동물의 장은 좁고 구부러져 있으며 불규칙하기 때문에 특히 복잡한 환경”이라며 “우리의 바퀴 로봇이 실제로 그곳에서 움직일 수 있었다는 것이 인상적이었다”고 설명했다.

연구팀은 초음파 활성화를 통해 곡선 구조에 부착할 수 있는 의료용 패치도 개발했다. 이 패치는 다양한 조직 유형에 맞게 특별히 맞춤 제작할 수 있으며 흉터나 종양 치료와 같이 정밀한 위치에 약물을 방출할 수 있다.

아메드 교수는 “우리는 기초 연구를 수행하는 것으로 시작해 약물 전달부터 위장관 내 이동, 심장 패치에 이르기까지 이러한 인공 근육의 다양성을 입증했다”고 말했다.

연구팀은 이번에 개발된 인공 근육이 약물을 더욱 정밀하게 투여하고 시술의 침습성을 낮추는 데 도움이 될 수 있을 것으로 기대하고 있다. 생체 적합성과 유연성, 무선 제어를 결합함으로써 의료 응용 분야에서 유망한 도구가 될 것이란 전망이다.

https://www.irobotnews.com/news/articleView.html?idxno=44094

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