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| 가이드와이어 부착형 마이크로 로봇 개념도. |
나는 마이크로 기술을 기반으로 마이크로·나노 로봇, 마이크로 초음파 소자 등을 연구하는 연구자다. 요약하자면 위의 두 영화에서처럼 마이크로·나노 기술로 만든 로봇을 사람 몸속에 넣어 지금의 치료방법보다 더 나은 치료 기술을 개발하는 것이다. 영화감독은 눈부신 특수효과 하나면 관객들을 충분히 만족시킬 수 있기 때문에 굳이 물리법칙이나 생물학법칙·화학법칙 등을 따르지 않아도 된다. 그런데 나와 같은 연구자들은 연구과정에서 복잡한 생체역학과 관련한 물리법칙·생물학법칙·화학법칙을 따라야 한다. 또 아무리 훌륭한 의료제품이나 기술이라도 사람 몸속에서 문제가 생긴다면 사용할 수 없으며, 사람 몸속에서 문제를 일으키지 않더라도 '인허가'를 받기 전에는 병원에서 사용할 수 없는 제약을 받게 된다. 그래서 실제 연구는 영화와 달리 오랜 시간에 걸쳐 반복적인 실험, 안전성 시험 등 수많은 검증을 위한 노력이 필요하다. 다만 영화를 만들기 위해 쏟아 부은 열정과 노력을 무시하는 것이 아니라 각자 다른 노력이 필요하다는 의미다.
마이크로·나노 로봇은 우리가 생각하는 로봇처럼 사람이 수행하기 어렵거나 불가능한 일을 할 수 있도록 연구되고 있는 작은 구조물이다. 그 크기는 일반적으로 작게는 수 나노미터(nm: 10-9m), 크게는 수 밀리미터(mm: 10-3m)까지다. 이렇게 작은 마이크로·나노 로봇을 인체 내에서 정밀 제어하기 위해서는 수 m 크기의 제어 시스템이 필요한데, 많은 연구자들은 자기장을 이용하여 마이크로·나노 로봇을 제어한다. 현재 전 세계적으로 주로 대학이나 국책 연구소에서 원천연구가 진행되고 있으며, 세계 최대 IT기업인 구글에서도 의료용 마이크로·나노 로봇을 연구하고 있다고 한다. 특히 최근 들어 중국에서 마이크로·나노 로봇 연구자가 아주 많아지고 있는 것을 국제학회에 참석할 때마다 느낄 수 있었다. 본 기고문에서는 본인이 개발 중인, 아직은 태동기인 의료용 마이크로·나노 로봇 중 몇 가지를 소개하려고 한다.
◆가이드와이어·카테터 기반 마이크로로봇
관상동맥 중재술을 포함한 다양한 혈관 시술에 사용되는 가이드와이어와 카테터는 시술자가 수동으로 가이드와이어와 카테터 끝단의 방향과 위치를 제어하면서 시술하기에 성공률과 시술 시간이 시술자의 숙련도에 큰 영향을 받는다. 특히 복잡한 혈관이나 분지관(分枝管)에서 가이드와이어와 카테터 끝단을 원하는 위치로 제어하는 것은 상당히 어렵다. 이러한 한계를 극복하기 위해 외부 자기장을 이용해 가이드와이어와 카테터 끝단의 방향과 위치를 제어할 수 있다면 시술의 정확성을 높이고 시술 시간을 줄일 수 있다. 또 필요에 따라 시술자의 방사선 피폭을 줄이기 위해 원거리에서 마스터-슬래이브 시스템(Master-Slave System)을 통해 마이크로로봇을 제어할 수 있게 된다. 이는 시술시간과 방사선 피폭량을 줄일 수 있기 때문에 증가하고 있는 심뇌혈관질환 환자들의 치료에 응용 가능해 사회적 파급효과가 매우 클 것으로 예상된다.
◆세포 또는 약물전달용 마이크로·나노 로봇
우리 몸의 뇌, 척추, 근육 등과 같은 조직에 문제가 생기면 줄기세포를 해당하는 조직에 전달하여 결함이 생긴 조직을 치료할 수 있다. 왜냐하면 특정 조직에 문제가 생겨도 해당 조직에서 줄기세포를 스스로 생성할 수 없거나, 생성하더라도 그 양이 부족할 수 있기 때문이다. 이런 이유로 체내 다른 조직의 줄기세포를 추출하여 주입하거나 외부에서 줄기세포를 이식받는 것은 매우 위험한 시술인 동시에 시술 후 후유증이 동반될 가능성이 높다고 알고 있다. 또 혈관을 통해 줄기세포를 주입할 경우 우리가 원하는 병변 위치에 도달하는 줄기세포의 양이 적어 높은 치료효과를 기대하기 어렵고, 이에 따라 시술 비용도 증가할 수 있다. 영화에서처럼 마이크로·나노 로봇에 줄기세포를 탑재해 우리 몸속에서 정밀하게 제어해 원하는 위치에 안전하고 정확하게 이식할 수 있다면 기존 줄기세포 치료법보다 더욱 효율적인 줄기세포 치료기술이 될 것으로 예상된다.
또 약물이나 세포전달을 목적으로 마이크로·나노 로봇을 인체 내에서 사용하는 경우 마이크로·나노 로봇이 주어진 임무를 수행한 후 몸속에서 분해되거나 몸 밖으로 회수되어야 인체 부작용을 최소화시킬 수 있다. 이를 위해서 마이크로·나노 로봇의 소재를 생분해성 폴리머로 만들어 약물이나 세포를 전달한 후에 로봇이 부작용 없이 인체 내에서 생분해될 수 있도록 하는 방법이 좋을 것 같다. 마이크로·나노 로봇 위치제어를 위해서는 외부자기장을 이용한 무선제어방식으로 유체 환경의 체내에서 정밀하게 약물이나 줄기세포를 이송할 수 있다. 이러한 마이크로·나노 로봇의 생분해 속도를 조절하기 위해서 로봇에 고주파의 교반자기장(Alternating magnetic field)을 걸어주어 마이크로·나노 로봇 안에 있는 자성나노입자가 열을 발생시켜 생분해성 폴리머를 신속하게 분해하고, 국소적인 열발생으로 온열치료 효과도 기대할 수 있다.
◆마이크로·나노로봇은 언제쯤 의료용으로 사용될까?
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| 최홍수 교수 (로봇공학전공) |
최홍수 교수 (로봇공학전공)
◆ 용어설명
△관상동맥 중재술= 막힌 혈관을 뚫는 시술로 팔이나 다리의 혈관을 통해 가이드와이어를 삽입한 후 이를 따라 카테터를 투입해 혈관을 확장하거나 병변을 제거하는 시술.
△마스터-슬레이브 시스템(Master-Slave System)= 시술 주체가 이용하는 주 제어장치(핸들)를 마스터라고 부르고, 원격으로 마스터의 움직임이나 지시에 따라 종속적으로 움직이는 장치(바퀴)를 슬레이브라고 일컬음.
△교반자기장(Alternating magnetic field)= 교류전류와 유사하게, 자기장 방향이 시간에 따라 주기적으로 변화하는 자기장.
◆ 최홍수 교수는?
마이크로·나노 로봇 및 의공학 연구를 진행하고 있는 대구경북과학기술원(DGIST) 로봇공학전공 책임교수인 최홍수 교수는 2010년 10월 DGIST 대학원 창립 초기에 고향인 대구로 귀향하였다. 대구경북과학기술원에 부임하기 이전에는 대전 한국기계연구원에서 선임연구원으로 생체모사 연구를 진행하였고, 2009년 귀국 이전에는 미국 캘리포니아대 데이비스(UCD) 캠퍼스에서 마이크로 초음파 트랜스듀서 연구를 수행하였다.
현재 최홍수 교수는 국내에서 마이크로·나노 로봇 관련 가장 많은 해외 우수저널 표지논문을 발표하고 있으며, 지난 2월 현재 112개 이상의 국내외 특허를 출원 및 등록하고 있다. 또한 그의 마이크로·나노 로봇 관련 연구결과는 국내뿐만 아니라 국제적으로 주목받고 있으며, 기술이전 및 창업을 통하여 사업화하기 위해서 노력하고 있다. 그동안의 연구수행 결과로 2020년 과학의 날 국무총리표창, 2019년 대통령 소속 국가지식재산위원회 공동위원장 표창, 2019년 스위스 제네바 국제발명 전시회 제네바 주정부 특별상 등 다수의 상을 받았다.최 교수는 대구 계성고·영남대를 졸업하고, 미국 워싱턴주립대학 (Washington State University)에서 석·박사 학위를 취득했다.
현재 최홍수 교수는 국내에서 마이크로·나노 로봇 관련 가장 많은 해외 우수저널 표지논문을 발표하고 있으며, 지난 2월 현재 112개 이상의 국내외 특허를 출원 및 등록하고 있다. 또한 그의 마이크로·나노 로봇 관련 연구결과는 국내뿐만 아니라 국제적으로 주목받고 있으며, 기술이전 및 창업을 통하여 사업화하기 위해서 노력하고 있다. 그동안의 연구수행 결과로 2020년 과학의 날 국무총리표창, 2019년 대통령 소속 국가지식재산위원회 공동위원장 표창, 2019년 스위스 제네바 국제발명 전시회 제네바 주정부 특별상 등 다수의 상을 받았다.최 교수는 대구 계성고·영남대를 졸업하고, 미국 워싱턴주립대학 (Washington State University)에서 석·박사 학위를 취득했다.
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