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마이크로로봇 – 위키백과, 우리 모두의 백과사전
마이크로로봇(Micro-robot)은 MEMS 기술, Nano 기술, Bio 기술 등의 요소기술들에 기반을 둔다. 지름 1mm 이하 크기 로봇을 마이크로 로봇이라고 하는데, …
Source: ko.wikipedia.org
Date Published: 2/27/2022
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한국마이크로의료로봇연구원
KIMIRo는 세계를 주도할 수 있는 혁신적 기술인 마이크로의료로봇산업의 활성화를 위하여 마이크로의료로봇연구원 구축사업을 성공적으로 이끌고 있으며 차세대 의료 …
Source: www.kimiro.re.kr
Date Published: 4/6/2021
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마이크로 로봇 – 나무위키:대문
나노봇(Nanobot) 즉 나노머신(Nanomachine)의 열화 버전으로, 나노머신의 조상이 되는 기술 개념이기도 하다. 마이크로머신(Micromachine) 또는 MEMS( …
Source: namu.wiki
Date Published: 7/19/2022
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[BioNpro] 약물전달체 마이크로 나노로봇 연구동향
약물 전달체 마이크로 나노로봇은 나노미터(nm: 10-9m)부터 밀리미터(mm: 10-3m) 사이의 크기를 가지며 신체 내의 질병 부위에만 정확하게 약물을 전달할 수 있는 …
Source: yesme.kiom.re.kr
Date Published: 4/21/2022
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혈관따라 아픈 부위 찾아가는 ‘초미세 로봇’ 개발됐다…”자율주행 …
마이크로로봇은 최소 200μm(마이크로미터. 1μm는 100만분의 1m) 크기로 100μm의 크기인 머리카락을 두개를 합친 크기다. 생체 안전성을 위해 천연고분자( …
Source: www.aitimes.com
Date Published: 10/28/2021
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[보고서]의료용 마이크로로봇 기술 동향 – ScienceON
현재 모바일 마이크로로봇은 혁신적 의료기술(진단/치료), 바이오테크놀로지, 탁상 공정, 환경복원 등 다양한 분야 활동을 목적으로 개발되고 있으며, 관련 논문 출판 수는 …
Source: scienceon.kisti.re.kr
Date Published: 1/17/2022
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[과학의 달인] ‘과학과 의학의 만남’…몸속 치료하는 마이크로 …
어떤 로봇인지 좀 더 설명해주시죠. … 예, 마이크로 의료로봇이란 100만분의 1을 뜻하는 마이크로와 의료로봇이 합해진 개념입니다. 쉽게 말해서 인체 …
Source: m.science.ytn.co.kr
Date Published: 9/22/2021
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한국마이크로의료로봇연구원(KIMIRo)
이러한 성과를 바탕으로 2010년부터 전남대 로봇연구소와 마이크로의료로봇센터를 중심으로 세계 최초 혈관치료용 마이크로로봇 생체 동물실험 성공, 2013 …
Source: www.irobotnews.com
Date Published: 1/2/2022
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질환 맞춤형 의료용 마이크로 로봇 세계 최초 개발 – 이데일리
마이크로로봇 표면의 자석입자는 미국 식품의약국(FDA)의 허가를 받은 자성나노입자로 생적합·생분해성 고분자로 이루어져 있다. 치료제 탑재 효율을 …
Source: www.edaily.co.kr
Date Published: 4/24/2021
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주제에 대한 기사 평가 마이크로 로봇
- Author: 대전창의인성센터
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- Date Published: 2020. 1. 2.
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위키백과, 우리 모두의 백과사전
마이크로로봇(Micro-robot)은 MEMS 기술, Nano 기술, Bio 기술 등의 요소기술들에 기반을 둔다. 지름 1mm 이하 크기 로봇을 마이크로 로봇이라고 하는데, 혈관 속을 타고 다니면서 병변 관찰 및 제거에 활용된다. 치료 (Therapeutic) 및 검사용 (Dignostic) 의료용 (Biomedical) 마이크로 로봇개발이 현재 활성화되고 있다. 마이크로 로봇은 크게 구동부, 센싱부, 동력원부, 무선송수신부로 구성되며, 특히 구동부, 센싱부, 동력원부가 기본적으로 매우 주요한 구성 요소가 된다. 현재 가장 어려운 기술해결과제는 마이크로 크기로 작은 구동부와 동력부를 제작하기에 상당히 어려운 단점이 존재한다는 것이다.[1][2]
한국의 기술수준 [ 편집 ]
지금까지의 기술개발 [ 편집 ]
전남대학교 로봇연구소 박종오 소장은 세계 최초 대장내시경로봇 개발(2001) 및 상용화(2005), 캡슐내시경 개발(2003) 및 상용화(2005), 세계 최초 혈관치료용 마이크로로봇(2010), 세계 최초 박테리아 나노로봇개발(2013), 면역세포기반 마이크로로봇(2016)등의 성과를 냈다. 또 ‘수술로봇제어기술’, ‘재활용 케이블로봇’,’뇌수술 로봇’ 등의 기술을 보유하고 있으며, 상용화를 목표로 연구 개발에 주력하고 있다. 전남대로봇연구소의 마이크로의료로봇 특허출원이 세계 1위로 독창적인 기술력을 보유하고 있다. [3]
2017년 전남대 마이크로의료로봇센터(센터장 박종오)는 관절연골 치료용 줄기세포 마이크로로봇을 개발했다. [4]
전남대 연구팀, 암 치료용 ‘마이크로 로봇’ 최초 개발했다. [5]
부경대 이상윤 교수는 2012년에 나노기술을 적용하여 인체의 미세한 혈관에서 자유롭게 이동가능하며 노폐물 등을 제거할 수 있는 자체 추진기 장착의 의료용 마이크로로봇을 세계 최초로 개발했다. [6]
2013년 10월에 미국 로봇산업협회장 제프리 번스타인은 한국의 의료용 로봇의 경우 전 세계적으로 앞서 가고 있다고 평가했다. 관련 전문가들은 향후 5년 안에 한국의 의료용 첨단 로봇이 세계 시장을 석권할 수 있을 것으로 기대했다. [7]
2010년 전남대 로봇연구소는 세계 최초로 지름 1mm, 길이 5mm의 마이크로 로봇으로 강한 혈류와 혈압이 있는 미니피그(돼지)의 막힌 혈관을 뚫는 실험에 성공했다. [8]
부경대 이상윤 교수는 유체가압 방식을 활용해 전자기장 방식을 넘어선 미세 컨트롤을 구현에 성공했다. 이 기술은 혈압 반대 방향으로 마이크로 로봇을 움직일 수 있으며, 기존 전자기장 방식이 가진 대부분의 문제점을 해결했다.[9]
한국동향 [ 편집 ]
현재 전남대 첨단캠퍼스에 31규모의 마이크로의료로봇센터(Medical MicroRobot Center)가 유치되었다. [10]
전남대 로봇연구소에서는 혈관치료용 마이크로로봇을 사람과 비슷한 돼지의 혈관에 집어넣어 이동시키는 실험을 준비하였다. [11]
대한민국 지자체 중에서는 광주시가 현재 이 분야 발빠르게 대응하고 있다. 광주시는 마이크로 의료로봇센터 구축 사업에 2014년 예산으로 국비 15억원을 확보했다. [12]
부경대 이상윤 교수의 마이크로로봇기술개발로 현재 한국은 혈관탐사 마이크로로봇 분야에서 경쟁국인 미국, 일본, 이스라엘보다 앞선 수준이다. 현재 한국은 의료 마이크로 나노 로봇기술에 있어, 주도국이며, 특히 혈관 마이크로 나노 로봇은 한국이 세계에서 유일하며 기술개발을 주도하고 있다. [13]
원천 기술 개발부문에서 이상윤 부경대 공간정보시스템공학과 교수는 세계 최초로 혈류를 거슬러 올라가며 구동하는 마이크로 로봇 개발에 성공했다. [14]
2012년 부경대 이상윤 교수는 나노기술을 적용하여 자체 추진기로 인체의 미세한 혈관에서 자유롭게 이동하면서 노폐물 등을 제거할 수 있는 의료용 마이크로로봇을 세계 최초로 개발했다. 이후 마이크로 로봇을 이용한 가상현실체험 관련 특허를 소개하고 2030년 무렵보다 오히려 더 빠른 시일에 가상현실체험이 가능할 수 있다고 예측하였다.[15][16]
한국마이크로의료로봇연구원
소개
2019년 초 독립연구재단’한국마이크로의료로봇연구원’이 설립되었습니다.
KIMIRo는 세계를 주도할 수 있는 혁신적 기술인 마이크로의료로봇산업의 활성화를 위하여 마이크로의료로봇연구원 구축사업을 성공적으로 이끌고 있으며 차세대 의료산업을 이끌 글로벌 연구원으로 발돋움하고 있습니다.
[BioNpro] 약물전달체 마이크로 나노로봇 연구동향
1. 약물전달체 마이크로 나노로봇 기술의 개요
가. 약물전달체 마이크로 나노로봇의 정의
약물 전달체 마이크로 나노로봇은 나노미터(nm: 10-9m)부터 밀리미터(mm: 10-3m) 사이의 크기를 가지며 신체 내의 질병 부위에만 정확하게 약물을 전달할 수 있는 의료용 미세 로봇이다. 복강경 수술용 로봇인 da Vinci와 같은 일반적인 의료 로봇이 크기에 의한 한계로 도달할 수 없는 곳까지도 작은 크기의 마이크로 나노로봇은 약물, 세포 등의 다양한 치료 매개체를 정밀하게 질병 부위에만 전달하여 암조직 파괴, 조직재생 및 회복 등의 표적지향형 치료에 이용될 수 있을 것으로 기대되어 지고 있다. 또한 미세한 사이즈로 인해 전통적인 진단 및 치료 방식에 비해 고통이 없는 비침습적(상처 없이 치료) 또는 최소칩습적(최소한의 상처를 내는 치료)인 치료가 가능할 것으로 기대되고 있다.
[그림 1. 약물전달체 마이크로 나노로봇의 정의 및 응용분야]나. 약물전달체 마이크로 나노로봇의 기술의 개요
약물전달 마이크로 나노로봇의 핵심 기술은 크게 마이크로 나노로봇의 구조체 제작, 마이크로 나노로봇의 위치와 방향의 정밀제어, 마이크로 나노로봇으로의 치료 매개체 탑재 등 세 가지로 나눌 수 있다.
(1) 마이크로 나노로봇의 제작
[그림 2. (a) 3차원 레이저 리소그래피를 이용한 마이크로 나노로봇 공정 개요도와 (b) 제작된 여러 종류의 마이크로로봇의 초고해상도 주사전자현미경 사진 [1, 15].]마이크로 나노로봇의 구조체는 레이저 머시닝, 반도체 공정을 기반으로한 미세전자기계시스템(MEMS) 기술 등 다양한 방식으로 제작될 수 있다. 하지만 이러한 방식들은 2차원적인 공정으로서 3차원의 복잡하고 초미세한 구조체를 구현하는데 한계가 있다. 이에 반해 그림 2(a)에서 보이는 3차원 레이저 스테레오 리소그래피 시스템은 고에너지를 가진 레이저 빔을 이용하여 광경화성 폴리머를 선택적으로 노출시키는 공정으로 높은 해상도의 3차원 구조물을 정밀하게 제작할 수 있다. 레이저 빔의 초점면(Focal plane)에서 광경화성 폴리머를 경화시킬 수 있는 강한 에너지를 형성하며 초점면을 이동시키면서 3차원 구조물을 완성하게 되는 원리이다. 이 시스템은 주로 폴리머 기반의 3차원 구조물 제작에 사용되며, 최소 선폭은 수배나노미터에서 수밀리미터까지 구현 가능하다. 이러한 장점으로 최근 마이크로 나노로봇 제작에 많이 사용되어 지고 있다. 3차원 구조체를 형성한 후 자기장을 통한 위치와 방향 제어를 위해 로봇의 표면을 자성물질인 니켈(Ni)과 생체적합성 향상을 위해 생체 적합성 물질인 티타늄(Ti)으로 차례로 증착시켜 완성한다. 그림 2(b)는 3차원 레이저 리소그래피 기술로 제작한 3차원 다공성 구조 등 다양한 마이크로 나노로봇의 주사전자현미경 사진이다.
(2) 마이크로 나노로봇의 정밀제어
자동차와 같은 일반적인 이동시스템과 마찬가지로 마이크로 나노로봇 정밀제어 기술 역시 마이크로 나노로봇의 추진을 위한 구동 기술과 목표 지점까지 안내하기 위한 위치 및 방향 제어기술이 핵심이다.
[그림 3. 마이크로 나노로봇의 일반적인 구동 원리 [2]]구동 기술의 경우 고려되어야 할 점은 신체 내에서의 약물전달을 목적으로 하는 마이크로 나노로봇은 기본적으로 유체 환경에서 이동하게 되므로 유체의 점성 등으로 인한 유체저항성을 극복할 수 있는 추진력을 확보하는 것과 초미세한 크기로 인하여 일반적인 에너지원 혹은 배터리를 탑재할 수 없다는 것이다. 이를 위해 마이크로 나노로봇 자체적으로 추진력을 발생하거나, 외부에서 무선으로 구동시키는 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
그림 3은 대표적인 마이크로 나노로봇의 구동원리로, 주변 유체와의 화학적(Chemical) 반응, 외부로부터의 음파(Acoustic)에너지 혹은 자기장(Magnetic)에너지 그리고 박테리아의 운동성 등의 생물학적(Biological) 추진력을 이용하는 등 다양한 방식들이 있다. 자기장의 경우 다른 구동 원리에 비해 신체 내 안전성이 높으며, 신체 외에서 원격으로 정밀 제어가 가능하므로, 외부자기장을 이용한 마이크로 나노로봇의 구동 방식이 가장 많이 사용되고 있다. 외부자기장 제어 시스템에서는 자기장 기울기(Magnetic field gradient) 혹은 회전자기장(Rotating magnetic field)를 형성하여 마이크로 나노로봇의 구동을 제어한다.
그림 4 (a)와 (c)는 자기장 기울기를 형성하여 당김(Pulling)에 의해 마이크로로봇을 구동시키는 개념도와 실제 실험 사진을 보여주고, 그림 4(b)와 (d)는 회전자기장을 가하여 마이크로로봇을 회전시키는 개념도와 사진을 보여주고 있다. 회전자기장의 경우 주로 그림 2(b)-➃과 같은 나선형(Helical) 마이크로 나노로봇을 위해 주로 사용되는 방식으로 나선회전운동(Corkscrew motion)으로 인한 전방추진력을 발생시킬 수 있으며 자기장 기울기에 의한 당김 방식보다 효율적이다.
[그림 4. 외부자기장을 이용한 스캐폴드 마이크로 로봇 제어 (a) 자기장 기울기와 (b) 회전자기장을 이용한 마이크로로봇 구동 개념도, (c) 자기장 기울기와 (d) 회전자기장에 의한 마이크로 로봇의 실제 구동, (e) 두 개의 마이크로 로봇의 동시 제어, (f) 마이크로 로봇의 목표지향형 제어[1]]앞서 소개된 구동 원리만으로는 마이크로 나노로봇은 전방으로만 이동할 수밖에 없으므로 목표한 위치까지 정확히 도달하기 위해서는 마이크로 나노로봇을 위한 조향기술이 반드시 필요하다. 조향기술 역시 외부자기장 방식이 가장 많이 사용되고 있으며, 그림 4(e)와 같이 같은 제어 공간 내에서 한 개 이상의 마이크로 나노로봇을 동시에 제어할 수도 있으며, 그림 4(f)에서 보이듯이 사전에 정해진 위치(회색 원), 경로를 따라 이동시키는 목표지향형 제어 역시 가능하다.
……………….(계속)
※ 출처 : 2017년 BioINpro 35호(바로가기)
혈관따라 아픈 부위 찾아가는 ‘초미세 로봇’ 개발됐다…”자율주행 기능 적용 목표”
전남대학교 로봇연구소 연구진이 질병의 위치와 종류에 따라 치료제를 신속, 정확하게 전달할 수 있는 다양한 모양의 초미세 의료용 로봇을 개발했다. 초미세의료용로봇은 비침습적, 비절제 수술로 미세부위까지 치료할 수 있다는 점에서 기술개발이 활발히 되고 있다. (사진=셔터스톡).
전남대학교 로봇연구소 연구진이 질병의 위치와 종류에 따라 치료제를 신속, 정확하게 전달할 수 있는 다양한 모양의 초미세 의료용 로봇을 개발했다. 초미세 의료용 로봇에 자율주행 기능까지 탑재한 기술을 개발하고 있어, 머지않은 미래 의료현장에서 다양한 질병에 적용되는 새로운 치료방법이 될 것으로 전망된다.
전남대 로봇연구소연구진 고광준 기계공학부 박사과정, 최은표·김창세·박종오 교수는 마이크로로봇을 전달경로와 이동 유체, 치료제의 전달형태 등 질환의 특성과 줄기세포, 면역세포, 항암제 등 치료제의 종류에 따라 모양을 달리했다. 이를 통해 질환별로 치료제를 정밀하게 전달할 수 있는 마이크로로봇을 개발했다.
(왼쪽부터) 최은표 로봇연구소 교수(전남대 기계공학부 교수), 박종오 한국마이크로의료로봇연구원 원장(전남대 석좌교수), 고광준 연구원(박사), 김창세 로봇연구소 교수(전남대 기계공학부 교수).
연구결과에 따르면 고형암을 치료해야 할 경우 혈액이 고속으로 흐르는 혈관 내에서 혈류를 이겨내야 하는 상황에서 로봇을 1초당 785μm의 빠른 이동속도를 나타내는 타원형 마이크로로봇으로 제작했다.
반면, 무릎연골손상의 경우는 3차원 자유공간에서 점성이 높은 활액을 통해 가야하므로 이동속도보다는 많은 양의 치료제 탑재가 가능한 원형이 더 알맞다. 아울러 마이크로로봇의 모양을 달리할 경우, 간종양 색전시술과 무릎연골재생에서 표출된 낮은 표적효율과 침습적 시술의 단점도 극복할 수 있는 것으로 보고 있다.
전남대학교 로봇연구소 연구진이 질병의 위치와 종류에 따라 치료제를 신속, 정확하게 전달할 수 있는 다양한 모양의 초미세 의료용 로봇을 개발했다. 마이크로로봇의 간종양 색전치료, 무릎연골재생 질환에 대한 도입 필요성. (사진=전남대 제공).
마이크로로봇은 최소 200μm(마이크로미터. 1μm는 100만분의 1m) 크기로 100μm의 크기인 머리카락을 두개를 합친 크기다. 생체 안전성을 위해 천연고분자(키토산)의 다공성 마이크로구조체로 돼 있다. 수천에서 수만개의 구멍이 있는 표면에 줄기세포나 면역세포 또는 항암제 등을 실어 나를 수 있다. 역할을 다하면 체내에서 서서히 분해된다.
이번 연구결과는 지금까지 소재 개발과 치료제 전달에 치우친 마이크로로봇의 편향적 연구를 치료제의 전달효율까지 높이는 것으로 확대했다는 평가를 받았다. 관련 논문은 국제 저널 ‘ACS 나노’(영향력지수 14.6)에 실렸다. 이 연구는 보건복지부 ‘마이크로의료로봇 실용화기술개발사업(총괄책임자 박종오)’과 광주시 투자로 진행됐다.
연구팀은 “일반 의료로봇과 달리 마이크로의료로봇은 한국이 세계경쟁력을 가지고 있는 분야로서 기술의 다양성 관점에서도 우위를 지니고 있다”며 “이번 로봇기술이 원천기술에만 머물지 않도록 임상실험을 통해 유효성까지 입증할 예정”이라고 밝혔다.
◆ 미니 인터뷰(Mini Interview) 최은표 로봇연구소 교수 최은표 로봇연구소 교수. Q. 연구 배경에 대해.
“마이크로로봇 자체가 치료 및 진단 기능을 가지고 있다. 혈관안에 주입하면 혈관을 따라 이동해 원하는 곳에 가서 치료 및 진단을 하는 개념이다. 기존의 외과적인 수술은 개복, 침습적 수술이다. 이에 마이크로의료로봇을 이용해 비절제, 비침습 수술로 흉터없이 정확하고 효과적인 새로운 치료방법을 개발하고 있다.” Q. 마이크로로봇의 상용화 사례가 있는가.
“현재까지 상용화된 제품은 없다. 특히 초미세로봇이 몸 안에 들어가기 때문에 생체에 적합하고 몸 속에서 분해가 돼야해 재료 개발이 필요하다. 임상시험을 통해 치료적 유효성을 검증하고 인허가를 받아야 상품화가 가능하다. 실제 의료현장에서 쓸일 때까진 많은 검증이 필요해 보인다.” Q. 마이크로로봇이 의료현장에서 쓰인다면 어떤 부분이 변화되나. “본 연구에서 개발된 마이크로로봇은 비침습적으로 타겟팅 효율을 높여 정밀치료가 가능한 장점이 있다. 질환타겟은 연골재생과 간종양의 색전환으로 두가지에 적용했다. 연골재생치료에서 줄기세포 치료를 선호한다. 이유는 무릎절개를 하지 않고, 줄기세포 치료제를 연골에 주입해서 치료를 할 수 있다는 점이다. 하지만 주사기로만 놓기 때문에 질환 질환 부위에 도달하기 어렵다는 단점이 있다. 마이크로로봇 기술은 줄기세포를 로봇에 넣고 원하는 부위에 정확하게 도달하게 할 수 있게해 치료 효과를 높일 수 있다. 간종양 색전술에서도 마찬가지다. 의사의 기술에 따라 얼마만큼 종양에 가까이 가는지 판가름이 난다. 사실 그게 굉장히 어렵다. 색전술에도 의사들이 조종기를 이용해서 원하는 곳에 마이크로봇을 보내 치료할 수 있게된다.” Q. 마이크로로봇을 이용한 치료과정은 어떻게 되나. “관절의 경우 수백개의 마이크로로봇을 관절내에 주입을 한다. 마이크로 로봇 각각에는 구멍이 여러 개가 나 있는 다공성 물질로 돼 있다. 구멍 사이사이 수만개의 줄기세포 치료제가 들어가게 된다. 수천개에서 수만개의 줄기세포가 들어가 있는 마이크로로봇 수 만개를 혈관에 투입하게 된다. 간종양 색전술은 종양에 뻗어있는 혈관을 색전할 수 있는 입자가 있다. 그 입자로 혈관을 막으면 종양에 공급되는 영양분이 차단이 돼 종양을 죽이는 시술이다. 색전 입자를 종양 근처까지 정확하게 옮겨 놔야하는데 의사들의 손으로도 굉장히 하기가 어려운게 사실이다. 마이크로로봇 기술을 이용하면 조이스틱으로 조향을 할 수 있다. 조이스틱 조향을 해서 종양근처까지 안전하게 옮겨 표적 효율을 높일 수 있다.” Q. 로봇이 자율주행처럼 스스로 치료지점까지 찾아가게 할 수도 있는가. “가능하다. 소프트웨어를 구축하면 자동으로도 보낼 수 있다. 당초 마이크로로봇이 너무 크기가 작아 안보였는데 연구진에서 엑스레이 조형제 탑재기술을 도입해 실시간으로 움직이는 것을 볼 수 있게 됐다. 엑스레이를 실시간으로 비춰 마이크로로봇이 어디 있는지 확인하고 자율주행할 수 있는 기능을 추가로 개발하고 있다. 의사들이 목표기점만 설명하면 치료제를 품고 있는 마이크로로봇이 치료지점까지 정확히 도달하게 되는 것이다.” 전남대학교 로봇연구소 연구진이 질병의 위치와 종류에 따라 치료제를 신속, 정확하게 전달할 수 있는 다양한 모양의 초미세 의료용 로봇을 개발했다. 질환별 마이크로로봇 선정과정. (사진=전남대 제공). Q. 질환별 로봇의 모형으로 최적화 했다고 들었다. 이에 대해.
“그동안 마이크로의료로봇에 모형에는 사람들이 관심이 없었다. 마이크로의료로봇을 개발하고 있는데 어떤 안전성 있는 소재로 만들지에 대해서만 집중했다. 연구진은 질환별로 다르게 초미세의료로봇을 모형화를 하면 목표지점에 더 쉽게 도달할 수 있다는 점을 포착했다. 무릎은 유속이 없어 마이크로로봇을 동그라미로 만들었다. 마이크로로봇 구멍에 세포(치료제)를 넣게 되는데 이러한 세포도 어떤 크기 어떤 구멍 모양일때 잘 들어가는지 형상을 최적화 했다. 이는 몇 가지 질환이 아닌 모든 질환에 적용될 수 있다. 질환별로 마이크로로봇을 레이저로 커팅을 해 쉽게 형상을 바꿀 수 있다.” Q. 연구과정에서 어려웠던 점.
“마이크로로봇을 개발에서 로봇의 재료의 안정성 검증이 가장 중요한 부분이다. 로봇이 몸안에 투입되기 떄문이다. 소재를 선택하고 가공할 수 있는 형태로 제작하는 것이 가장 어려운 부분이고,이번 연구도 안전성에 초점을 맞춰 진행됐다. 재료는 키토산을 사용했다. 로봇을 전자기로 구동하려면 나노사이즈 자성입자가 코팅돼 있어야 한다. 나노 자성입자도 FDA에 승인된 철분 보충제를 사용했다. 최대한 몸에 적합하도록 제작했다.”
Q. 마이크로로봇 분야 연구를 하면서 느꼈던 문제점.
“마이크로로봇 자체가 약을 품고 있는 로봇이기 때문에 의료품인지, 의약품인지가 명확하지가 않다. 의약품으로 가면 제약에 관한 규제에 맞춰야 하는 것이고, 의료쪽으로 가면 의료기기에 속한다. 식약처에서도 약을 품고 있는 마이크로로봇에 대해 의약품인지 의료기기인지 구분이 모호하다. FDA에서는 이러한 시스템을 앞서 구축해 잘 시행하려고 하고 있다. 의료기기와 의약품이 융합된 것에 대해 어떤 허가 절차를 적용 할 것이며, 규제 부분에 대한 새로운 정립이 돼야 상용화가 가능하다.” 질환별 마이크로로봇 목표 Q. 연구개발 이후 계획에 대해.
“현재는 기술만 개발해 놓은 원천기술 단계에 있다. 곧이어 과제를 통해 동물에게서 마이크로로봇이 치료적 유효성이 있는 지 진행할 계획이다. 동물실험이 성공을 하면 기술이전을 할 계획이다. 우선 올해부터 진행하는 동물 실험에서 효능을 검증하는 것을 목표로 하고 있다.” Q. 끝으로 한 말씀.
“2017년 의료기기 플랫폼인 ‘스템 셀 네비게이터’를 바이오트코리아 기업에 기술이전을 했었다. ‘스템스 셀 네이게이터’는 줄기세포를 손상된 연골부위로 정밀하게 이동시키고, 이식된 줄기세포가 다시 연골세포로 분화돼 손상된 무릎연골을 재생시키는 기술이다. 줄기세포 치료제를 마이크로로봇으로 손상된 연골 부위로 보내 치료하겠다는 것이다. 5년 안으로 이 기업과 협업해 이를 임상허가 받을려고 준비 중에 있다. 만약 이 기술이 임상허가를 받으면 마이크로로봇이 상용화가 되는 첫 번째 사례가 될 것으로 보고 있다. 저희의 목표는 빠른시일내에 마이크로의료로봇 임상허가를 받아 첫 상용화가 되게 하는 것이다.”
AI타임스 구아현 기자 [email protected]
[관련기사] “몸속 나노입자 마음대로 조종해 치료 효과 높인다” [관련기사] 미래 수술 로봇, 혼자서 수술 집도하도록 ‘더 작고 유연하게’
[보고서]의료용 마이크로로봇 기술 동향
초록
1. 서론
초미세로봇이 혈관 속으로 침투해 손상된 세포를 복원하고, 미세축소된 특공대원들이 작은 잠수함을 타고 몸속에 들어가 질병을 치료한다. 공상과학 영화 혹은 소설 속에서 심심치 않게 등장하는 장면이다[1~3]. 그리고 상상 속에서만 존재할 것 같은 일들이 현실이 되어가고 있다. 이러한 초미세로봇은 석유, 가스 파이프라인의 내부 상태를 모니터링하거나, 인체 혈류를 통해 떠다니면서 병소나 손상 부위를 진단하고 치료하는 데 사용될 수 있다.
모바일 마이크로로봇은 크기가 밀리미터에서 나노미터 사이이며, 위험하고 도달하기 힘든 좁은 공간에서 사람이 수행하기 어렵거나 불가능한 작업을 수행할 수 있는 초소형 구조물이다[4, 5]. 현재 모바일 마이크로로봇은 혁신적 의료기술(진단/치료), 바이오테크놀로지, 탁상 공정, 환경복원 등 다양한 분야 활동을 목적으로 개발되고 있으며, 관련 논문 출판 수는 2005년 이후로 급속하게 증가하고 있다(그림 1a). 논문 발행량의 국가별 분포를 살펴보면, 미국이 가장 많은 논문을 출판하였고, 중국, 우리나라 순서로 논문이 출판되었다(그림 1b). 기관별로는 전남대학교에서 가장 많은 43편의 논문을 출판하였고, ETH Zurich(41편), 하버드대학교(26편), CNRS(25편), 카가와대학교(21편), 상하이자오퉁대학교(21편), DGIST(20편) 순서로 논문이 출판되었다. 모바일 마이크로로봇 관련 특허출원 동향은 2002년부터 증가하여 2013년에 가장 많은 특허가 출원되었으며, 2010년대부터 우리나라의 출원량이 다수를 차지하고 있어 우리나라의 모바일 마이크로로봇 관련 연구 수준이 세계적으로 경쟁력이 있음을 보여주고 있다[5].
메디컬 마이크로로봇(이하 ‘메디봇’)은 현재까지 주로 대학이나 연구소 단위에서 학술적 연구가 진행되어왔으며 최근 의료 현장에서 사용하기 위한 사업화가 전 세계적으로 시작되고 있다[5]. 메디봇은 기존 의료장비로 접근하기 어려운 국소 부위 치료, 정밀약물, 세포전달 등의 분야에 사용하여 환자의 고통 및 감염 위험을 감소시키고, 빠른 회복을 통해 삶의 질을 향상시킬 수 있으며, 시술자의 수고 및 능력 의존을 넘어 효율성/신뢰성/안정성이 뛰어난 새로운 개념의 의료장비를 개발할 수 있다. 따라서 메디봇의 기술 수요는 지속적으로 증가하고, 관련 시장은 향후 확대될 것으로 전망된다[5]. 본 보고서에서는 메디봇 관련 기술, 응용 분야, 시장 현황, 향후 전망 등에 대해 살펴보고자 한다.
그림 1. 마이크로로봇 관련 논문 출판 수 (출처: Clarivate Analytics, ‘microrobot’, 2020.07.)
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[과학의 달인] ‘과학과 의학의 만남’…몸속 치료하는 마이크로 의료로봇!
■ 박종오 / 한국 마이크로 의료로봇연구원 원장
[앵커]작은 로봇이 몸에 들어가 질병을 발견하고 치료하는 영화 속 상상이 현실이 되고 있습니다. 수술하기 까다로운 부위에 직접 칼을 대지 않고도 질환을 확인하고 효과적으로 치료할 수 있는데요.
오늘 과학의 달인에서는 마이크로 ‘의료’로봇 연구에 매진하고 계신 분을 만나보겠습니다. 한국 마이크로 ‘의료 로봇 연구원’ 박종오 원장과 함께 합니다. 어서 오세요.
공상과학 영화처럼 몸속에 직접 초소형 로봇이 들어가 질환을 파악하고 치료까지 할 수 있는 마이크로 의료로봇이 개발됐다고 들었습니다. 어떤 로봇인지 좀 더 설명해주시죠.
[인터뷰]예, 마이크로 의료로봇이란 100만분의 1을 뜻하는 마이크로와 의료로봇이 합해진 개념입니다. 쉽게 말해서 인체 내부를 돌아다니며 진단과 치료, 약물전달 기능을 수행하는 초소형 의료기기를 뜻합니다. 모든 의료기기는 인체 절개를 최소로 하는 것을 목표로 하는데 이 마이크로 의료로봇이 궁극적인 해법이 될 것으로 보고 있습니다.
이 로봇도 인체 기관에 따라 크기가 다 다른데요. 저희가 그동안 개발한 마이크로로봇을 예로 들자면, 대장 내시경 로봇은 직경 24mm, 캡슐 내시경 로봇은 직경이 11mm로 이동과 의료기능을 수행하기에 적합했고, 혈관치료용 마이크로로봇은 직경 1mm, 줄기세포 마이크로로봇은 300μm 즉 0.3 mm이고, 면역세포 마이크로로봇은 직경 20μm, 그리고 박테리아 나노로봇은 3μm였습니다. 전체적으로 cm에서 μm까지 다양합니다. 즉 장기별 적절한 크기가 있다고 보는 게 맞을 것 같습니다.
[앵커]흔히 ‘마이크로’ 단위라고 하면 얼마나 작은 건지 확 와 닿지 않잖아요. 그런데 머리카락 두께가 약 70㎛라고 하더라고요. 그렇다면 이보다 더 작은 로봇이 인체 속을 돌아다니며 치료까지 한다는 것이군요.
저희가 건강검진으로 내시경 검사를 할 때 보통 기다란 ‘관’ 같은 기구를 이용하잖아요. 그런데 ‘캡슐 내시경 로봇’이 그 역할을 대신할 수 있다고 들었어요. 어떻게 가능한 건가요?
[인터뷰]캡슐 내시경이란 알약처럼 삼켜 검사하는 원리로, 통증 없이 소화기관의 내부를 영상으로 보여줄 수 있습니다. 캡슐 내시경 역시 진화를 거듭했는데요.
우선 1세대 캡슐 내시경은 영상 캡슐이 인체의 연동운동으로 움직이면서 소장을 촬영하면 추후 의료진이 영상진단을 하는 방식입니다. 캡슐 자체 운동이 없이 쭉 내려가기 때문에 보고 싶은 곳을 정확히 볼 수 없다는 단점이 있죠.
그래서 개발한 게 바로 2세대 캡슐 내시경인데요. 2세대 캡슐 내시경은 외부 전자장으로 원하는 대로 이동시킬 수 있어 기존 소장을 넘어 위와 대장까지 볼 수 있습니다. 기존 캡슐 내시경으로 12시간 정도 걸리던 진단 시간도 2~30분으로 단축할 수 있습니다.
[앵커]원하는 대로 이동이 가능한 2세대 캡슐 내시경 개발도 대단한데, 여기에 3세대 캡슐 내시경도 개발하셨다고 들었습니다. 3세대에는 어떤 기능이 추가됐나요?
[인터뷰]기존 1세대나 2세대 캡슐 내시경은 영상 진단 기능밖에 없어 의심스러운 부위가 있으면 결국엔 기존 내시경을 써야만 합니다. 그런데 3세대 캡슐 내시경은 의심스러운 부위가 있으면 캡슐 내시경이 바로 후속 작업을 할 수 있습니다.
이 3세대 캡슐 내시경은 기능에 따라 ‘생검 모듈’, ‘약물주입모듈’ 그리고 ‘타투잉 모듈’로 나뉘는데요. 생검 모듈은 영상진단용 캡슐 내시경에 조직 채취를 위한 작은 칼날을 탑재했습니다. 별도의 배터리 없이 소화기관 내에 들어갔다가 의심되는 병변 부위가 있으면 칼날을 회전시켜 조직을 채취합니다. 약물주입 모듈은 질환 부위에 주삿바늘을 찔러 약물을 주입하고, 타투잉모듈은 의심부위를 잉크로 표시하는 기능입니다. 이를 위해 영상진단용 캡슐 내시경에 각각의 기능들이 추가되어 있습니다. 이를 통해 캡슐 내시경만으로 시술을 끝내는 게 목적입니다.
[앵커]두 번 일하지 않게 캡슐 내시경만으로 시술을 끝낼 수 있다는 거군요. 그런가 하면 막힌 혈관을 뚫어주는 로봇도 개발하셨다고요?
[인터뷰]네, 혈관 내에서 자유롭게 이동하는 혈관 치료용 마이크로로봇입니다. 혈관 안에서 막힌 혈전을 뚫을 수 있는 세계 최초 기술입니다.
실제로 살아있는 돼지의 혈관 내에서 움직이는 과정을 시연하기도 했는데요. 이 기술은 자석이 철을 당기는 원리인 자기력을 이용했습니다. 거친 폭포수 같은 혈류 속에서 로봇 위치를 유지하고 혈관을 뚫는 기능을 컴퓨터를 보며 조이스틱으로 게임을 하듯 작동시킬 수 있습니다. 최근에는 기술 수준이 향상되어 로봇 제어장치를 훨씬 작게 만들 수 있게 되었습니다.
[앵커]혈관 속에 로봇이라니, 들을수록 신기한데요. 또 최근에는, 손상된 ‘관절 연골’을 치료할 수 있는 줄기세포 마이크로 의료로봇도 개발했다고 들었습니다. 어떤 건지 설명해주시죠.
[인터뷰]네 상당히 충격이 좀 있어 보이는데요. 요새는 무릎연골 재생을 위해 줄기세포 시술을 합니다. 효과를 보려면 무릎관절을 절개하고 뼈에 구멍을 뚫어 줄기세포를 이식하는 데 이는 복잡하고 아픕니다. 그래서 줄기세포를 주사하는 치료법이 관심을 끌고 있습니다.
그런데 문제는 줄기세포를 원하는 부위에 보내기가 쉽지 않다는 것입니다. 하지만 마이크로 의료로봇 기술을 사용하면 주사기로 정확히 손상 연골 부위에 부착할 수 있습니다. 시장이 커서 좋은 예로 생각됩니다.
[앵커]살면서 무릎 안 아픈 사람은 없잖아요. 정말 획기적인 기술이네요. 오늘 마이크로 의료로봇에 대해 알아봤는데요. 마이크로 의료로봇이라는 새로운 길을 개척하게 된 계기가 궁금합니다.
[인터뷰]열심히 하는 연구에 재미가 더해지면 효과는 훨씬 커집니다. 1990년 중반에 왠지 마이크로 의료로봇에 꽂혀서 이런저런 시도를 하다가 21세기 프론티어 사업단을 맡으면서 마이크로 의료로봇에 대해 체계적인 연구를 하게 되었고 의지와 재미가 합해지니 지난 20년간 꾸준히 몰두하게 되었습니다. 그동안 다양한 세계 최초 개발사례들이 있으며, 지금은 마이크로 의료로봇 전문인력 양성과 전문 연구개발 그리고 관심 있는 기업육성까지를 하게 되어 우리나라 “마이크로 의료로봇 Eco Complex”라고 부를 정도로 질적으로 그리고 양적으로 발전하였습니다.
[앵커]방금 해주신 답변에, 20년간 얼마나 이 일을 사랑하고 또 열심이셨는지 열정과 애정이 가득 느껴졌습니다. 이렇게 눈부신 성과가 하루빨리 상용화가 된다면 환자들의 삶의 질도 높아질 것 같은데요. 언제쯤 상용화가 가능할까요?
[인터뷰]상용화는 모든 마이크로 로봇의 목표가 되겠죠. 마이크로 의료로봇을 포함하여 인체를 다루는 모든 의료기기는 개발 기술이 안정화되고 나면, 동물실험과 인체 임상시험을 거쳐 안전성과 유효성에 대한 공인 인증을 받아야 합니다. 결국, 상용화까지 상당한 시간과 경비가 소요됩니다. 대장내시경 로봇과 캡슐 내시경은 이미 제품으로 사용하고 있고, 능동캡슐 내시경, 줄기세포 마이크로로봇 등은 꾸준히 동물실험을 해왔으므로 3~5년 내로 상용화를 기대하고 있습니다.
[앵커]기술과 경험이 충분한 만큼 실제로 제품화된다면 세계 시장을 선도할 수 있을 것 같은데요. 이런 마이크로 의료로봇이 앞으로 더 발전하기 위해서는 어떤 부분이 뒷받침되어야 할까요?
[인터뷰]저희들이 20년간 열심히 연구해왔는데요. 정부나 다른 곳에 요청하기보다도 이런 의미가 있습니다. 마이크로 의료로봇은 한국의 특화전략산업입니다. 이제까지 정부와 지자체에서 지원을 해왔습니다. 여기에 참여한 관련 산학연병 모두 우리나라에 도움이 될 산업을 일구도록 노력하고자 합니다.
[앵커]마지막으로 원장님의 앞으로의 계획도 궁금합니다.
[인터뷰]당연히 다양한 마이크로 의료로봇의 기술개발과 특허 확보, 그리고 기업참여를 통한 신산업 발전이며 이를 위해 연구개발사업 확보와 연구원의 안정된 연구원의 운영방안에 대해서 이런저런 고민을 하고 있습니다. 그리고 이것이 저의 주된 관심사입니다.
[앵커]오늘 원장님의 열정이 느껴져서 정말 뜨거운 시간이었습니다. 말씀해주신 마이크로 의료로봇이 앞으로 환자들의 부담을 줄여주길 기대하겠습니다. 지금까지 한국 마이크로 의료로봇 연구원 박종오 원장과 함께했습니다. 고맙습니다.
한국마이크로의료로봇연구원(KIMIRo)
재단법인 한국마이크로의료로봇연구원(Korea Institute of Medical Microrobotics : KIMIRo)은 2019년 1월 독립연구재단으로 설립되었다. KIMIRo의 뿌리는 가깝게는 2016년 만들어진 마이크로의료로봇센터, 멀리는 2008년 설립된 전남대 로봇연구소(RRI)라고 할 수 있다. 그 중심에는 마이크로의료로봇에 남다른 열정을 가진 박종오 원장이 자리잡고 있다. 박 원장은 KIST 연구원으로 18년간 재직하다 2005년 2월부터 전남대 기계과 교수로 부임하면서 2008년 로봇연구소를 설립해 소장을 역임하고, 2013년 산업부 과제인 마이크로의료로봇센터를 전남대로 유치하면서 6년간 센터장을 거쳐 2019년 1월부터 KIMIRo 초대 원장을 맡아 3년째 이끌어오고 있다. 올해 2월 16년간 재직했던 전남대 기계공학부 교수를 정년퇴임하면서 KIMIRo 원장 업무에만 전력하고 있다.
한국마이크로의료로봇연구원(KIMIRo) 박종오 원장을 지난 8월 18일 광주광역시 북구 첨단과기로에 있는 원장실에서 만나 연구원 설립 이야기와 연구원 소개, 연구원의 미래 그리고 마이크로의료로봇에 대한 이야기를 들어 봤다. ▲ 박종오 한국마이크로의료로봇연구원장이 지난 8월 18일 로봇신문과 인터뷰 하고 있다. 사진=조규남 전문기자 20년 넘게 마이크로의료로봇 연구에 매진하다. 마이크로의료로봇에 대한 연구는 박 원장이 KIST에서 연구원으로 있던 1999년 과학기술부 21세기 프론티어 연구개발 프로그램 중 하나인 ‘지능형 마이크로시스템 프로그램’ 개발에 중추적 역할을 하면서 시작되었다. 그때 나온 결과물이 세계 최초의 대장내시경 로봇(2005년 상용화), 세계 두 번째로 개발한 캡슐내시경(2005년 상용화)’이다. 이러한 성과를 바탕으로 2010년부터 전남대 로봇연구소와 마이크로의료로봇센터를 중심으로 세계 최초 혈관치료용 마이크로로봇 생체 동물실험 성공, 2013년 세계 최초 박테리오봇 생체 동물실험 성공, 2016년 면역세포 마이크로로봇 생체 동물실험 성공, 2017년 세계 최초 줄기세포 마이크로로봇 기술 개발 등의 업적을 연속으로 이루면서 대한민국 광주는 세계 최고의 마이크로의료로봇의 핵심 거점으로 성장했다. 그 시발점은 2013년부터 6년간 50억원을 투입한 317억원 규모의 ‘마이크로의료로봇센터 구축’ 국책사업을 시작으로 본격화되었다고 볼 수 있다. 마이크로의료로봇 분야 세계 최다 특허 출원(출원 308개, 등록 208개) 기록과 기업 기술이전을 통한 로얄티 수입만도 수십억원에 이른다. 다양한 기술을 선제적으로 개발하고 해외 특허장벽 구축, 신제품 출시로 세계 시장을 선점하겠다는 목표다. ▲ 광주광역시 북구 첨단과기로에 위치한 한국마이크로의료로봇연구원 모습 마이크로의료로봇 분야 글로벌 리더가 비전, 목표
KIMIRo는 마이크로의료로봇 분야에서 글로벌 리더가 되는 게 비전이고 목표다. 마이크로의료로봇분야는 아직 초기 분야지만 세계를 주도할 수 있는 혁신적인 기술로 시장 파급효과가 매우 큰 산업이다. 우리나라는 일찍이 마이크로의료로봇 분야 연구에 뛰어들어 지금은 세계를 선도하는 리더 그룹에 포함되어 있다.
광주광역시 북구 첨단과기로에 터를 잡고 있는 KIMIRo는 마이크로의료로봇 전문연구, 임상 GMP기반 기업 시제품 제작 및 동물실험에 의한 유효성 평가, 마이크로의료로봇분야 산학연병관 협력을 목적으로 연구에 매진하고 있다.
현재 연구원 기술개발센터는 5970㎡ 규모로 본관과 별관으로 구성되어 있다. 본관에는 마이크로의료로봇 프로토타입 연구소, 공동장비실, X선 차폐실과 6개 기업이 입주해 있다. 별관에는 나노바이오로봇 클린룸과 바이오·세포실험실, 동물실험실 등이 있다. 마이크로의료로봇 전문장비 77종을 갖추고 가동 중이며, 3D 초정밀 부품 제작장비, 공초점 현미경 등도 구비되어 있다. ▲ 광주첨단과학산업단지에 건립될 마이크로의료로봇 개발지원센터 조감도 현재 기술개발센터에서 3~4Km 근처에 새로이 건설중인 개발지원센터는 8800㎡ 규모로 임상 GMP 시제품 제작과 평가시설로 사용될 예정이다. 마이크로나노제조실 1,2와 의약품 도포 처리실, 유효성 평가시설, 시험/평가 지원 시설, 기업 네트워크 공간 등이 들어선다. 임상 GMP 제조 지원 장비, GMP 후처리 장비 12종, 유효성 평가장비와 시험 평가 지원 장비 등 임상용 GMP 시설관련 전문 장비 100종 등 최고의 시설을 구축할 예정이다.
세계 최고의 마이크로의료로봇 복합 시설 갖춰
현재까지 전 세계에 마이크로의료로봇 분야에서 이 정도 시설과 인력, 규모를 갖춘 곳이 없다. 2024년 개발지원센터까지 마무리 되면 세계 최고의 마이크로의료로봇 기관으로 우뚝설 수 있다. 독일 막스플랑크연구소 인텔리전트 시스템 수장으로 있는 마이크로의료로봇 분야 대가인 ‘메틴 시티(Metin Sitti)’ 교수 조차 KIMIRo를 방문하고 나서 그 규모와 시설에 놀랐다고 한다. 마이크로의료로봇 분야에서 이 정도의 클러스터를 갖춘 곳은 KIMIRo가 유일하다. KIMIRo는 2019년 1월 재단법인 형태의 연구원으로 설립되었지만 국책 연구기관이 아니어서 외부 과제를 수주해야만 운영이 가능한 구조다. 다행히 2019년부터 대형 국가 연구과제를 잇달아 수주하면서 KIMIRo는 국가 마이크로의료로봇 R&D 본거지로 확실히 자리매김 했다. 2019년 6월 보건복지부 ‘마이크로 의료로봇 실용화기술개발사업’ 과제를 수주해 총사업비 407억원(국비 388억원, 시비 19억원)을 지원받는 것을 시작으로, 2020년 5월에는 ‘마이크로의료로봇 개발지원센터 구축’ 사업에 선정되면서 2024년까지 국비 182억원을 포함한 총 309억원의 사업비를 지원받는다. 또 올해 범부처사업으로 1년에 29억씩 5년간 145억원이 투입되는 사업을 수주했다. 이러한 대형 사업을 수주하기 위해서는 처음부터 과제 기획, 예산 확보, 치열한 경쟁 입찰을 거쳐야 해 많은 노력이 들어가야 한다. ▲ 한국마이크로의료로봇연구원 단체사진 R&D본부 6개 랩과 사업화본부 중심으로 65명 근무
KIMIRo는 원장을 정점으로 R&D본부와 사업화본부 그리고 전략경영부, 헬스케어사업센터, 대외협력본부가 있으며 현재 총 65명의 전문가들이 근무하고 있다. 기계, 전자, 생물, 화공, 물리, 약학 등 다양한 분야의 전문가들이 포진되어 있다는 것도 큰 강점이다.
연구원의 핵심인 R&D본부에는 바이오메디컬 랩, 나노바이오소재 랩, 소프트로보틱스 랩, 메디컬 AI 랩, 메디컬 액추에이터 랩, 로봇어플리케이션 랩 등 6개의 랩이 있고 랩장은 부장 직함을 갖고 있으면서 전남대 로봇연구소 교수이기도 한 독특한 구조를 갖고 있다. 독일 프라운호퍼 연구소를 벤치마킹했는데, 박 원장이 독일 프라운호퍼연구소 연구원으로 일했던 경험을 살려 조직을 설계했다. 연구원 개소 후 지난 3년간 나름 상당히 성공적이었다는 것이 박 원장의 평가다.
6개의 랩은 각각 어떤 일들을 하고 있고, 연구를 하면서 어떤 어려움들이 있을까. ▲ 바이오메디컬 랩을 맡고 있는 최은표 교수 바이오메디컬 랩(Bio medical Lab)은 최은표 교수가 책임자로 있다. 바이오 메디컬 랩에는 5명의 연구자가 마이크로 로봇에 대한 유효성 평가를 연구한다. 마이크로/나노로봇 연구에 필요한 생물ㆍ의약학적 기초 연구를 비롯한 응용 연구 전반에 걸친 업무 모두 수행하고 있다. 생물학, 면역학, 약학 석박사 학위를 바탕으로 다학제적 협업을 통한 첨단 의료 마이크로/나노로봇 개발에 주력하고 있다. 주요 업무는 다양한 세포 기반 의료용 마이크로/나노로봇을 개발하고 일반 의료용 마이크로/나노로봇의 체내/외 질환 모델의 확립, 성능을 검증하고 있다. 암, 염증의 대체 요법으로서 복합 작동 면역세포 기반 마이크로로봇 연구, 조직 재생을 위한 능동 작동 줄기세포 기반 마이크로로봇 연구, 엑소좀 기반 나노로봇 연구 등의 연구 이슈를 가지고 있다. 최 교수는 서강대에서 박사를 마치고 미국 워싱턴대에서 박사후 연구원으로 근무하다 2017년 전남대 교수로 부임했다. 기계공학 전공으로 바이오 멤스(Bio Mems)인 미세유체칩(microfluidic chip)’을 만들어 그 안에서 세포의 거동이나 움직임을 센싱하는 칩을 만들고, 약물 독성 평가 칩을 만드는 작업을 주로 했다. ▲ 조직분석을 통한 치료효능 검증 모습 이 랩에서는 연구하면서 가장 어려운 일이 동물 실험이다. 동물 실험은 생명을 다루다 보니 실패를 최소화해야만 한다. 반복 실험을 하다 보면 동물을 많이 죽이게 된다. 다른 연구 부문에서는 무엇을 만들고 잘 안 만들어지면 다음 날 와서 또 만들 수 있지만, 여기 실험실에서는 준비 과정부터 동물 계획서 승인, 개체 수를 정하는 준비 과정들이 복잡하다. 혹여 평가가 잘못됐다든지 구조체가 잘못 만들어지면 실험을 다시 해야 되는데 그러다 보면 시간이 많이 늘어나게 된다. 하나의 연구를 한다고 가정했을 때 전체적인 기간을 1년으로 보면 약 8개월 정도가 동물 실험이 차지할 만큼 시간이 오래 걸리는 작업이다. 동물 질환 모델 만드는 작업도 힘든 작업이다. 어떤 마이크로 구조체(Scaffold)를 만들 경우 쥐 같은 동물에 그것을 주입해 쥐를 죽인 다음 장기를 모두 들어내서 장기별로 어떤 독성이 있는지 파악해야 한다. 한 마리로 한 가지 실험밖에 할 수 없다. 구조체도 사례 별로 실험을 해야 되는데 한 실험 당 쥐가 다섯 마리가 필요하면 구조체를 다섯 개 만들었다고 가정하면 25마리가 희생되어야 한다. 마이크로 로봇의 경우 개발이 이루어 진것은 어느 정도 시간이 지났지만 동물 실험을 한 사례가 많지는 않다. 학계에서는 동물실험에서 유효성이 평가 되어야만 인정을 받을 수 있다. 2019년에 나노로봇을 개발했고, 줄기세포기반 로봇 동물실험, 인공 근육, 질환별 최적의 형상 연구 등을 하였다. 박테리아 로봇 연구도 하고 있기 때문에 박테리아에 대해 정밀 분석을 잘하기 위해서는 박테리아의 생물학적 기전이 어떻고 어떻게 유전자 변형을 시켜야 되는지도 연구하고 있다. 나노바이오 소재 랩(Nanobio Materials Lab) 역시 최은표 교수가 책임을 맡고 있고 실장으로 소프트로보틱스 랩 방도연 교수가 지원하고 있다. 7명의 연구원들이 있는 나노바이오 머티리얼즈 랩은 소프트 로보틱스 랩과 같이 협업하고 있다. 나노 바이오 소재팀의 연구 목표는 의료용 마이크로로봇 개발을 위한 생분해/생적합성 소재를 개발하는 데 있다. 우수한 자기적 특성을 갖는 소재를 개발하여 마이크로의료로봇이 인체 내에서 자유자재로 이동 및 진단/치료/센싱 등을 수행하여, 기존 약물 전달 시스템이나 카테터 기반 수술의 한계점을 극복한다. 기존 약물 전달 시스템은 원하는 위치에서 약물 로딩된 운반체 또는 나노 입자의 능동적 전달이 어렵고, 카테터의 모세혈관 혹은 소혈관 내로 접근이 어렵다. 따라서, 마이크로의료로봇이 자가운동을 통해 점성이 높은 혈관 내에서 원하는 위치로 능동적으로 이동할 수 있도록 개발하며, 또한, 이미징, 약물 또는 세포 전달 및 분자 감지와 같은 추가 기능을 부여하여 기존 의료 시술의 한계점을 해결하는게 목표다. 주요 연구 분야는 마이크로 의료로봇 개발을 위한 생적합성 및 생분해성 소재 개발, 마이크로 의료로봇에서 약물 또는 세포 로딩을 위한 마이크로 / 나노 구조 설계, 마이크로 의료로봇의 새로운 기능성을 부여하기 위한 새로운 개념의 마이크로 소재 제작 기술 개발 등이다. ▲ 소프트로보틱스 랩을 맡고 있는 방도연 교수 소프트 로보틱스 랩(Soft Robotics Lab)은 방도연 교수가 책임자로 있다. 소프트 로보틱스 랩은 기존 로봇의 경우 기계적으로 움직이다 보니 소재 자체가 딱딱한 문제가 있다. 그러다 보니 빠른 작업을 수행한다거나 무거운 것을 옮기는 데 특화되어 있지만 사람과 접촉을 한다거나 혹은 사람 몸속에 들어가서 작업을 수행하는 데는 적합하지 않은 한계점이 있다. 이 랩에서는 5명의 연구원들이 딱딱한 고체나 금속 소재가 아닌 고분자를 사용해 형태가 변하는 로봇을 개발해 사람과 접촉하는 로봇을 만드는 역할을 수행하고 있다. 약물 전달, 예를 들면 줄기세포를 전달하는 쪽에 적용이 가능하다. 현재는 로봇의 형태가 움직이는, 새로운 기능을 부여해 막힌 혈관을 뚫는다거나 로봇이 몸속에서 합쳐졌다 풀어졌다 하면서 장기를 만드는 새로운 기능을 수행하는 연구를 하고 있다. 인체 친화적인 물질을 합성해야 해 고분자 소재를 디자인도 해야 한다. ▲ 소프트로보틱스 랩 연구물. 일로트로-폴리머 기반 마이크로 액추에이터 방 교수는 연세대에서 박사를 하고 미국 UC버클리에서 5년간 박사후 연구원으로 근무하다 작년 2학기부터 전남대로 부임했으니 KIMERo에 합류한지 이제 1년 정도 되었다. ▲메디컬 AI랩과 메디컬 액추에이터 랩 B를 맡고 있는 강병전 교수 메디컬 AI 랩(Medical AI Lab)은 강병전 교수가 책임을 맡고 있다. 메디컬 AI 랩은 마이크로 의료 로봇을 제어할 때 영상을 이용해 마이크로 의료로봇이 가고자 하는 경로나 궤적들을 생산하기 위한 소프트웨어를 만드는 연구를 주로 하고 있다. 의료 영상의 대표라고 할 수 있는 CT나 엑스레이를 이용해 실시간으로 3차원 가상 모델을 만들고, 그 모델을 활용해 경로 계획 하는 연구들을 진행하고 있다. 이외에도 내시경 영상 등을 활용해 인공지능 기술 기반의 병변 인식이나 마이크로 의료로봇이 의료 영상을 기반으로 현재 어디 위치에 있는지 등에 관련된 연구도 진행하고 있다.
하지만 초음파장이 매질에 따라 왜곡이 심하기 때문에 이 왜곡을 어떠한 방식으로 최소화할 것이며, 실제 초음파장을 활용해 로봇을 제어할 때 자유도를 구현하기가 생각보다 어렵다. 그래서 이러한 기술을 개발하는 과정과 뼈 같은 하드한 조직이 있을 때 왜곡을 최소화해서 정밀하게 제어할 수 있는 부분들이 가장 어려운 부분이고 해결해야 할 과제다. ▲메디컬 AI 랩 연구 내용 강 교수는 이탈리아에서 바이오 로보틱스를 전공하고 귀국해 마이크로의료로봇센터에서 3년 정도 연구원으로 근무하다 작년 전남대 교수로 부임했다. 메디컬 액추에이터 랩(Medical Actuators Lab)은 마이크로 로봇을 구동하기 위한 구동력 생성 장치를 개발하는 연구를 하고 있다. 능동 캡슐, 약물 배달 마이크로 입자 등 무선으로 체내에서 이동시키는 마이크로 로봇의 운동성을 부여하는 연구를 하고 있다고 할 수 있다. 메디컬 액추에이터 랩 A와 메디컬 액추에이터 랩 B로 구분되어 있으며, 랩 A는 김창세 교수, 랩 B는 강병전 교수가 책임을 맡고 있다. 랩 A는 전자기장을 생성하는 자기장 관련해 자기 구동 기술 연구를 진행하고 있다. 전자기장을 가지고 마이크로 로봇을 이동시키는 시스템과 제어 방법을 비롯해 몸속 자율주행 연구도 진행하고 있다. 자율주행이 되려면 위치 인식과 구동이 되어야 한다. 기술적으로는 재미있는 연구지만 안전성에 문제가 있어 의료 수요가 많을지는 지켜 보아야 한다. 개발 시 가장 어려운 기술은 전자기장을 쓰게 되면 코일 등의 문제로 시스템이 커지는 문제가 발생하는데 몸속에 들어가려면 마냥 크기를 키울 수도 없다. 외국에서 개발된 장비의 경우 무게가 8톤이나 된다. 크기와 무게를 줄이는 게 중요한 기술이다. 연구소에서는 현재 고정된 시스템이 아닌 자체적으로 이동시키는 로봇형도 연구하고 있다. ▲ 마이크로의료봇(400 마이크로미터크기) 3D 구동 제어 랩 B는 초음파 구동 기술을 이용한 마이크로 의료로봇을 제어하기 위한 구동 기술을 연구하고 있다. 수십 나노미터부터 수백 마이크로미터 크기의 마이크로의료로봇의 움직임을 정밀하게 제어하기 위하여, 초음파 기반의 구동기술에 대한 원천기술을 개발하고 있다.초음파를 이용해 마이크로 의료로봇을 제어한다는 것은 초음파 장을 이용해 거기에서 생성된 힘을 가지고 마이크로 로봇을 구동하게 되는데 이 초음파 장은 매질의 성격에 따라 왜곡이 심하든지 영향을 많이 받는다. 균질한 매질을 가지고 있는, 예를 들어 공기 중에서 어떤 입자를 제어한다고 했을 때는 손쉽게 제어할 수 있지만 다양한 매질로 구성되어 있는 인체 안에서는 왜곡이 많이 발생하기 때문에 마이크로 의료로봇을 정밀하게 제어하는 데 굉장히 어려움이 있다. 현재 초음파장을 이용한 구동 기술의 경우 원천 연구에 초점을 맞춰 진행하고 있다. ▲ 로봇애플리케이션 랩과 메디컬 액추에이터 랩 A를 맡고 았는 김창세 교수 로봇 어플리케이션 랩(Robot App. Lab)은 김창세 교수가 책임자로 있다. 산업용 로봇 관련된 연구를 하고 있다. 대표적인 것이 케이블 로봇이다. 이외에도 농업용 로봇과 일반적인 산업용 로봇 관련 기술을 연구하고 있다. 케이블 로봇은 일종의 병렬 로봇인데 강성이 없으니 공간을 넓게 활용할 수 있다는 장점이 있다. 우리가 쉽게 볼 수 있는 스카이 캠, 운동 경기장이나 올림픽을 보면 카메라에 줄을 달아 촬영하는 것도 일종의 간단한 케이블 로봇이다. 연구원에서는 더 정밀한데 사용하기 위해 8개의 케이블을 사용하고 있는데 물류로봇, 사람이 탈수 있는 엔터테인먼트용으로도 사용이 가능하다. ▲ 병렬 케이블 로봇 김 교수는 메릴랜드주립대에서 박사후 연구원으로 재직하다 2017년 3월부터 전남대 기계 공학부 교수로 임용되면서 연구원에 합류하였다.
34년간 프로젝트 수주…연구원 운영 위해 아직도 프로젝트 수주위해 직접 발로 뛰어 다녀
별도의 재단법인을 설립해 연구원을 운영하다보니 제일 어려운 부분이 안정적인 운영이며, 제일 큰 화두가 자금 문제다. 그러다보니 박 원장은 정부 과제 프로젝트 수주에 직접 뛰어다니고 있다. 연구 생활 34년 동안 그는 프로젝트 수주하느라 늘 정신없이 살았다고 회고했다.
이러한 열정 덕분에 우리나라는 마이크로의료로봇 분야에서 세계를 선도하고 있다. 박 원장은 “우리가 마이크로 로봇의 으뜸이라고 말할 수는 없지만, 1등 그룹에는 당연히 들어가 있다. 마이크로 의료로봇을 크게 기계 전자 방식과 생체 세포 방식으로 분류할 수 있는데 대장 내시경, 캡슐 내시경 로봇은 전형적인 기계 전자 방식으로 이미 많이 연구를 하고 있다. 2010년도에 박테리아 나노로봇을 개발하면서 생체 세포 기반 마이크로 의료로봇을 시작했다. 이 분야는 KIMIRo가 세계적인 경쟁력을 갖추고 있다. 2019년에 시작한 복지부 실용화 공통 기반 과제가 마무리되면 몇 년 후에는 여러 가지 아이템들이 많이 나올 것으로 예상하고 있다.”고 말했다. 박 원장은 “여기까지 올 수 있었던 것은 대부분 정부로부터 재원을 마련했기 때문이라며 이제는 정부 자금을 잘 써서 기업에 기술이전하고 산업을 발전시키는 일만 남았다”며, ”마이크로 로봇은 상당히 독특하고 새로운 첨단 분야인데 정부가 과감히 지원해 준데 대해 많이 감사하다“고 덧붙였다. ▲ 한국마이크로의료로봇연구원을 이끌고 있는 주요 멤버들. 사진 왼쪽부터 김창세, 홍아영, 방도연 교수, 한지원 실장, 박종오 원장, 강병전 교수, 김의선 실장, 최은표 교수 정부 지원에 기업 기술이전과 산업 발전으로 보답
내년 초면 벌써 3년 원장 임기가 마무리 된다. 원장으로 있으면서 꼭 이루고 싶은 일이 있다면 KIMIRo가 독립연구재단으로 제대로 안착이 되었으면 좋겠다고 했다. 그는 세계 최고의 마이크로의료로봇연구소, 세계 최대의 마이크로의료로봇 산업컴플렉스 구축이 목표라고 했다. 마이크로 의료 로봇 분야에 대한 시장 전망은 밝은 편이다. 내시경 분야 연간 성장률이 3%인데 캡슐 내시경은 두 배인 6~7%다. 모든 의료 기기가 최소 침습으로 흘러 가고 있기 때문이다. 바쁜 일상생활 속에서도 박 원장은 국제로봇연맹(IFR) 한국대표로도 활발히 활동하고 있다. 박 원장은 최근 IFR 흐름을 보면 1961년에 산업용 로봇 특허가 처음 나오고 나서 40년이 흘렀는데 20세기는 산업용 로봇의 시대였다. 21세기 들어 서비스 로봇이 시작 되었지만 시장 규모는 아직 산업용 로봇이 절대적으로 크다. 최근 산업용 로봇의 두 가지 트렌드가 하나는 코봇(협동 로봇)이고, 또 하나는 모바일 로봇이라며, IFR은 AI 로봇에 대해서는 상당히 보수적이라고 밝혔다. ▲ 박종오 한국마이크로의료로봇연구원장이 34년 연구인으로 재직하면서 받은 상장, 상패 앞에서 기념촬영을 하고 있다. 박 원장은 서비스 로봇이 돈 벌기 어려운데 신뢰성 문제 때문에 그렇다. 모바일 로봇 시장이 급속도로 커지고 있다. 얼마전 속초 물회 집을 갔는데 서빙 로봇이 서빙하는 것을 보고 감탄했다. 잘 만들어졌다. 잘 만들어졌다는 게 여러 가지 예기치 못한 경우의 수에 충분히 반영하고 사람하고 같이 돌아다니고 있다. 식당, 레스토랑에서 서비스 로봇은 앞으로 상당히 커질 것 같다는 느낌을 받았다. 우리나라 로봇 기업들도 많이 생겨나고 제품들도 다양해지고 있어 국내 로봇산업은 긍정적으로 보고 있다고 강조했다.
모든 것이 수도권에 집중되어 있는 상황에서 광주광역시가 지방이라는 핸디캡을 극복하고 마이크로의료로봇이라는 특화된 로봇 분야에 10년 이상 과감히 투자하고 지원한 결과 광주는 대한민국을 넘어 전세계 마이크로의료로봇 분야의 성지가 되었다. 이곳에서 더 많은 결과물들이 �P아져 나와 인류 발전에 커다란 기여를 했으면 좋겠다.
[한국마이크로의료로봇연구원 연혁] 2019. 01 재단법인 한국마이크로의료로봇연구원 설립2019. 06 보건복지부 ‘마이크로 의료로봇 실용화기술개발사업’ 수주
2020. 05 보건복지부 ‘마이크로의료로봇 개발지원센터 구축’ 사업 선정
2020. 06 줄기세포 탑재한 마이크로로봇으로 무릎연골재생 첫 성공
2021. 03 질환 맞춤형 마이크로로봇 형상 최적화 기술 개발
2021. 04 생체소재 기반 인공근육 개발
2021. 05 범부처전주기의료기기 연구개발사업 수주
질환 맞춤형 의료용 마이크로 로봇 세계 최초 개발
[이데일리 류성 제약·바이오 전문기자] 국내 연구팀이 질환에 따라 로봇 형상이 최적화된 질환 맞춤형 의료용 마이크로로봇을 세계 최초로 개발하는데 성공했다.한국보건산업진흥원은 한국마이크로의료로봇연구원과 전남대 로봇연구소 공동연구팀이 신체 내의 질별 부위에만 정확하게 약물을 전달할 수 있는 의료용 미세로봇을 세계에서 처음으로 개발했다고 17일 밝혔다. 이 의료용 마이크로로봇의 크기는 10억분의 1mm인 나노미터(nm)부터mm 정도로 미세하다.의료용 마이크로로봇은 환자의 부작용은 최소화하면서도 인체에 치료가 필요한 부위에 약물을 효과적으로 전달할수 있는 기술로 최근 들어 주목을 받고 있는 상황이다.박종오 한국마이크로의료로봇연구원장은 “본 연구결과는 질환별 치료제 전달을 위한 맞춤형 마이크로로봇 모델을 최초로 제시했다는 데 그 의미가 있다”면서 “향후 전반적인 마이크로의료로봇 분야에 활용 될 수 있을 것이다”고 강조했다. 박원장은 “한국은 마이크로의료로봇 분야에 글로벌 경쟁력을 가지고 있다”면서 “이번 연구도 한국의 기술우위를 보여주는 좋은 예로 생각한다”고 설명했다.한국마이크로의료로봇연구원과 전남대 로봇연구소는 질환별 의료용 마이크로로봇의 제조기업에 대해 국내는 물론 글로벌 특허를 출원한 상황이다. 이 공동연구팀은 올해 말에는 동물을 대상으로 하는 임상시험을 본격 진행한다는 계획이다. 이후 인간대상 임상시험을 거쳐 한국 및 미국식품의약국(FDA)에 의료기기로 허가를 받아 상용화까지 나선다는 방침이다.이 연구는 보건복지부 및 한국보건산업진흥원에서 지원하는 ‘마이크로의료로봇 실용화기술개발사업’으로 진행됐다. 이 연구결과는 미국화학회의 나노 응용분야의 저명 학술지인 ‘ACS Nano’에 지난 1월 26일에 게재됐다.고광준 한국마이크로의료로봇연구원 연구원은“이번 연구는 질환별 특성(주변 환경)과 치료제 탑재 능력을 고려하여 치료제 전달 효율을 극대화한 질환별 맞춤형 의료용 마이크로로봇을 처음으로 제안하고, 기존 치료방법 대비 질환 치료 효과가 월등함을 검증했다”는 점에 의미를 부여했다.이 연구팀이 의료용 마이크로로봇을 활용하는 단계를 살펴보면 먼저 대상질환(간종양, 무릎연골손상)에 따라 맞춤형 마이크로로봇 형상을 설계하고, 체내에서 분해 가능한 다공성 시트에 자성나노입자를 표면에 부착하여 제작 후 각 질환별 치료제를 탑재시켰다.이후 각 질환별 치료제를 탑재한 맞춤형 마이크로로봇은 질환 부위로 정밀하게 전달된 후 치료 효과를 극대화 할 수 있음을 연구팀은 확인했다. 마이크로로봇 표면의 자석입자는 미국 식품의약국(FDA)의 허가를 받은 자성나노입자로 생적합·생분해성 고분자로 이루어져 있다. 치료제 탑재 효율을 높이고, 외부 자기장에 반응해 마이크로로봇을 질환부위로 정밀하게 전달하는 기능을 발휘한다.이 연구팀은 이 로봇을 활용한 간종양색전(고형암) 치료에서는 빠른 속도의 혈류를 이겨내고 치료제 전달이 가능한 ‘타원체형 마이크로로봇’이 적합하다는 것을 연구결과 밝혀냈다. 또 무릎연골재생 치료의 경우는 손상된 연골 부위에 고농도의 세포 치료제를 직접 전달 할 수 있는 ‘원형 마이크로로봇’(타원체 대비 25% 증가)이 적합함을 확인했다.한국마이크로의료로봇연구원은 전담대 로봇연구소에서 분사를 해서 지난 2019년 별도 독립법인으로 설립됐다. 이 연구원에서는 응용로봇, 재료공학, 기계공학, 생물학 등 분야의 전문가 50여명이 로봇연구에 매진하고 있다.
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