새로운 세대의 작은 바이오 로봇이 자기 근육을 구부리고 있다. 미국 일리노이 대 어바나 샴페인 캠퍼스(University of Illinois at Urbana-Champaign)의 공학자들이 근육 세포로 동력이 공급되고 전기 펄스로 제어되어 보행하는 바이오 로봇을 시연하였다. 연구진은 이러한 연구 결과를 미국 국립 과학원 회보(Proceedings of the National Academy of Sciences)의 온라인 초기 판에 발표하였다.
"세포에 의해 구동되는 생물학적인 구동 방식은 당신이 만들고자 하는 임의의 생물학적인 기계를 위한 기본적인 수요"라고 이 연구의 책임자인 라시드 바쉬르(Rashid Bashir)가 말했다. "우리는 환경 및 의학적인 응용분야에서 사용될 수 있는 생물학적인 기계 및 시스템을 설계 및 개발하기 위하여 공학적 원리와 생물학을 결합하고자 노력하고 있다. 생물학은 엄청나게 강력하며, 만약 우리가 유용한 응용분야에서 이러한 생물학의 장점을 활용하는 방법을 어떻게든 배울 수 있다면 수많은 위대한 것들이 가능하게 될 것"이라고 라시드 바쉬르가 덧붙였다.
라시드 바쉬르의 연구진은 3차원 인쇄된 유연한 히드로겔(hydrogel: 물을 분산 매체로 하는 겔)과 살아있는 세포로 만들어진, 크기가 1센티미터 미만인 바이오 로봇(bio-bot)을 설계 및 제작하는 데 있어 선구자이다.
이전에 라시드 바쉬르의 연구진은 고동치는 쥐의 심장 세포로 동력이 공급되어 스스로 걸을 수 있는 바이오 로봇을 시연하였다. 그러나 이 심장 세포는 계속 수축하였고, 바이오 로봇의 운동을 연구자들이 제어할 수 없었다. 이것은 전원을 켜고 끄며, 속도를 내거나 줄일 수 있어야 하는 바이오 로봇을 만드는 데 있어 심장 세포를 사용하는 것을 어렵게 만들었다.
새로운 바이오 로봇은 전기 펄스로 조작할 수 있는 골격근(skeletal muscle) 세포의 가늘고 긴 조각으로 동력이 공급되었다. 이것은 연구자들에게 바이오 로봇을 제어할 수 있는 간단한 방법을 제공하였고, 다른 분야의 설계 원리로 응용되어 특정한 목적으로 바이오 로봇을 맞춤화할 수 있는 가능성을 열었다.
"당신은 골격근 세포를 외부 신호를 이용하여 조절할 수 있기 때문에 매우 매력적인 재료이다. 예를 들어 당신이 화학 물질을 감지하거나 특정 신호를 수신하면 작동을 시작하는 장치를 설계하고자 할 때 골격근을 이용할 수 있다. 우리에게 골격근은 설계를 위한 도구상자로 볼 수 있다. 우리는 공학자들이 다양한 장치를 설계하는 데에 사용될 수 있는 여러 가지 선택권을 가질 수 있기를 원한다"고 라시드 바쉬르가 말했다.
이러한 바이오 로봇의 설계는 자연에서 발견되는 근육-힘줄-뼈의 집합체에서 영감을 얻었다. 3차원 인쇄된 히드로겔로 만들어진 척추는 바이오 로봇에게 관절처럼 유연하게 굽혀질 수 있게 하면서도 골격 역할을 제공할 정도로 튼튼하다. 2개의 기둥은 골격근 세포의 가늘고 긴 조각을 이 척추에 고정하는 데에 사용된다. 이것은 마치 힘줄이 근육을 뼈에 연결하는 것과 같지만, 이 기둥은 동시에 바이오 로봇을 위한 발로서의 역할도 수행한다.
바이오 로봇의 속도는 전기 펄스의 주파수를 조절하여 제어될 수 있다. 동영상에서 확인할 수 있는 바와 같이 높은 주파수를 인가하면 근육이 더 빠르게 수축하여 바이오 로봇의 전진 속도가 더 빨라진다. "연구의 출발점으로 천연의 조직인 근골격계(musculoskeletal system)와 같은 생체를 모방하는 설계 원리로 시작하는 것은 지극히 당연한 것"이라고 발표된 논문의 공동 주 저자이자 대학원생인 캐롤라인 체벡코빅(Caroline Cvetkovic)이 말했다.
"이 연구는 일을 하기 위하여 자극하고 훈련시키고 프로그래밍할 수 있는 생물학적 기계를 개발하고 제어하는 데 있어 중요한 첫 발을 내딛는 것이다. 결과적으로 이 시스템이 약제 전달, 수술 로봇, 스마트 이식, 움직이는 환경 분석기 등과 같이 수없이 많은 응용분야에서 사용될 수 있는 새로운 세대의 생물학적 기계로 진화할 수 있다고 상상하는 것은 매우 흥미진진한 것"이라고 캐롤라인 체벡코빅이 덧붙였다.
다음 단계로 연구자들은 바이오 로봇이 광의 밝기나 화학물질의 농도에 따라 다른 방향으로 이동할 수 있도록 신경세포(neuron)를 결합하는 것과 같이 바이오 로봇에 대한 더 심화된 제어를 수행하기 위한 연구를 진행할 예정이다.
공학적인 측면에서 연구자들은 다른 신호에 기초하여 다른 방향으로 바이오 로봇이 이동할 수 있도록 히드로겔 척추를 설계할 수 있기를 희망한다. 3차원 인쇄술(3D printing) 덕택으로 연구자들은 서로 다른 형상과 설계를 신속하게 탐색할 수 있다. 라시드 바쉬르와 그의 동료 연구자들은 심지어 이러한 연구를 학부생들의 교육과정에 결합하여 학부생들이 서로 다른 종류의 바이오 로봇을 설계하도록 만들 계획을 가지고 있다.
"생물학을 이용하여 만드는 것은 새로운 것이 아니다. 조직 공학(tissue engineering) 연구자들은 천연의 조직과 기관을 역공학(reverse engineering) 방식으로 설계하기 위하여 오랫동안 노력하고 있으며, 이것은 의학적인 응용분야에서 매우 전도유망하다"고 발표된 논문의 공동 주 저자이자 대학원생인 리투 라만(Ritu Raman)이 말했다.
"그런데 왜 거기서 멈추는가? 우리는 세포가 스스로 조직화하고 환경 신호에 응답하는 동적인 능력을 이용하여 인공의 생물학적 기계 및 시스템을 순공학(forward engineering) 방식으로 설계함으로써 이러한 한계를 뛰어 넘을 수 있다"고 리투 라만이 덧붙였다.
"이러한 세포 기반의 구조를 이용하여 순공학(forward engineering) 설계를 수행하는 아이디어는 매우 흥미진진한 것이다. 우리의 목표는 이러한 장치가 자율 센서로 이용되는 것이다. 예를 들어 우리는 특정한 화학물질을 향하여 나아가 이를 탐지하며, 그 독성을 중화시키는 물질을 방출할 수 있기를 원한다. 구동에 대한 제어권을 얻은 이번의 연구결과는 이러한 목표를 향한 큰 진전"이라고 라시드 바쉬르가 말했다.
* 자료 - KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』
