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최근 인간을 포함한 동물이나 물고기, 곤충 등의 기본구조 또는 메커니즘 등을 모방해 생물체의 조직이나 근육처럼 부드럽고 유연하면서도 충분한 강도를 가지는 물질 (Soft material)과 이를 제어하는 기술을 개발하는 생체모방공학 (Biomimetics) 분야가 주목받고 있다. 생체모방로봇의 개발에 있어서 가장 중요한 요소는 생체모사 디자인을 정교하게 제작하고 인공적인 시스템으로 생명체의 메커니즘을 구현해 로봇의 작동 효율을 높이는 것이라고 할 수 있다.
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 조절해 바이오센서(Biosensor)와 바이오엑추에이터(Bioactuator)기술의 기여도를 높일 수 있을 것으로 기대된다.
(A) 가오리 외부 구조 (B) 가오리 내부 구조 (C) 가오리 형태 바이오 로봇 제작도 (D) 바이오 로봇 구동 원리
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 개발했다고 밝혔다.
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 수행했으며, 연구 결과는 국제적으로 권위 있는 과학 학술지 사이언스(Science)지에 7월 8일자 표지 논문으로 게재됐다.
바이오 로봇은 생체세포와 무기물이 결합한 가오리 형태의 로봇으로 내부의 동력기관 없이 물속에서 유영이 가능하다.
빛의 자극에 반응하도록 조작한 세포를 로봇의 뼈대에 근육조직으로 배양하고, 근육이 빛의 빈도 등에 따라 수축-이완하게 함으로써 로봇이 움직이는 원리다.
배양세포로는 쥐의 심근세포를 이용했으며, 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 보여줬으며, 질병진단 기능의 바이오 센서 개발 등에도 활용될 것으로 기대된다.
서강대 최정우 교수는 “이번 연구를 통해 생체조직과 기계가 결합된 바이오 로봇의 가능성이 제시됐으며, 향후 인공 지능 기술과 결합해 인간과 같은 로봇의 개발로까지 확장될 수 있는 토대를 마련했다”고 연구의 의의를 밝히고, “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 통해 얻은 성과로, 정부의 종합적이고 체계적인 연구개발 정책 추진에 따라 가능했다”며, “향후 국제 공동연구가 연구현장에 확산돼 이와 같은 의미있는 연구성과들이 지속적으로 도출되기를 희망한다”고 밝혔다.
이번 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, 국내 센터를 기반으로 한 국제공동연구 지원을 통해 해외 과학기술자원 유입의 활성화와 우수 기술 확보를 목표로 하고 있다.
이 외에도 연세대-프라운호퍼(독일) 의료기기 공동연구센터가 연구결과의 기술사업화에 성공해 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.
-. 연구를 시작한 계기나 배경은?
▲서강대 연구진은 2012년부터 하버드 대학에 교수와 연구원을 파견해 다년간 공동연구를 수행해 왔으며, 2013년에 세계 최고수준의 질병 바이오 연구소인 미국 하버드대 위스 생물공학연구소(Wyss Institute for Biologcially Inspired Engineering) 소속, 질병바이오 물리 그룹과 공동으로 서강-하버드 질병 바이오물리 연구센터 설치에 대한 양해각서를 체결하고, 공동 센터를 설립했다. 본 연구소는 2013년도 미래창조과학부가 지원하는 해외우수연구기관유치사업에 선정됐다. 공동 센터 설립의 의의는 선진 과학기술 체계 및 해외 우수 연구 인력의 유치를 통해 핵심적인 기술들의 상호 보완 및 통합을 통해 차세대 핵심기술로 부각되고 있는 생체모방과 장기칩 분야에서 대한 기초‧원천 기술을 확보하고 국내 생체모방 기술의 난체를 해결해 국내 의료산업으로의 기술 확산 및 그 분야에 있어 세계적인 연구허브로 발전하고자 하는데 의의를 두고 있다.
-. 연구 전개 과정에 대한 소개
▲생물체가 가진 다양한 기능을 인위적으로 모방·응용하는 ‘생체모방기술’은 이미 의학 분야에서 좋은 결과들을 제시하고 있다. 이에 ‘국제공동연구센터’는 기존 ‘생체모방기술’에 ‘마이크로/나노 기술’을 도입해 패러다임 변화를 이뤄낼 계획이다. 대표적인 결과물이 이번에 발표된 ‘바이오 하이브리드 로봇’이다. 생체모방 분야는 첨단 원천기술 개발이 절실히 필요하므로 서강-하버드 센터의 기술 협력을 통해 상호 보완하며 바이오 하이브리드 로봇 제작 기술을 개발했다. 서강대 연구팀은 로봇 제작에 참여 했으며, 특히 부력을 조절하는 부분을 담당했다. 부력을 PDMS 조성을 조절해서 조정할 수 있었고, 이로 인해서 로봇이 유영할 수 있도록 됐다.
-. 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)했는지?
▲세계적인 대학의 연구센터와 대등한 관계를 가지고 공동으로 연구한다는 것이 실력적인 부분이 아닌 여러 가지 행정과 네트워크 그리고 소통이라는 부분의 어려움이 있다는 사실을 깨닫게 됐다. 연구결과와 성과를 중심으로 협력을 했다면 결코 좋은 성과를 얻을 수 없었을 것이다. 기술의 개방성과 상대국 기술에 대한 정보 부재 등이 국제 공동연구의 걸림돌이었다. 그럼에도 불구하고 소통이란 커다란 틀 안에서 서로 인격적인 교류와 다양한 세미나 및 연구원 교류 등을 통해 서로를 이해하고 좀 더 효율적인 공동체로 인간적인 교류를 통해 연구의 효율성이 높아지는 것을 깨닫게 됐으며 서로 가지고 있는 지식 보다 상대에 대한 존중과 배려를 통해 어려운 상황들을 극복해 나갔으며 오늘의 좋은 공동연구 성과를 이룰 수 있었다고 할 수 있겠다.
-. 이번 성과, 무엇이 다른가?
▲현재 까지 세포를 이용한 바이오엔지니어의 접목을 시도한 실험은 많았으나 생체조직과 기계적인 지지대로 구성돼 내부 동력기관 없이 자유롭게 유영하는 바이오 로봇은 처음 개발됐다. 외부에서 빛의 자극에 의해 구동되는 가오리 모방을 한 조직공학 기반의 바이오 하이브리드 로봇에 대한 연구 결과는 세포와 기계장치가 결합되는 생체 모방 로봇의 가능성을 제시했다.
-. 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?
▲기존의 생체모방 기술에서 넘어 브레인칩 (Brain-on-a-chip)을 개발하고자 한다. 생체모방 기술에 마이크로/나노 기술을 도입해 뇌시스템의 구조와 기능을 모사하는 브레인칩 (Brain-on-a-chip)을 제작할 수 있다. 생체모방 브레인칩 기술은 이번에 제작된 바이오로봇을 조정하는 기능을 수행할 수 있다. 또한 생체모방 브레인칩 기술은 체외에서 세포만을 이용해 약물 반응을 살피던 방법이나 동물 모델을 이용해 약물 스크리닝을 해왔던 기존 방법을 대체하는 새로운 약물 스크리닝 방법으로 응용돼질 것으로 기대된다. 나아가 재생의학을 대표하는 도구로 활용돼질 전망이며, 궁극적으로 미래에는 현대의료의 큰 축인 재생의학에 활용해 기존 의료시술로는 치료할 수 없었던 환자들을 치료할 수 있는 계기가 될 것이라 기대한다.
-. 기타 특별한 에피소드가 있었다면?
▲서로가 낯선 이국땅인, 한국에서 미국으로 미국에서 한국으로 연구원들이 오가며 연구를 할 때마다 힘들어 했으나 점차 미국연구원들이 한국의 음식과 한국의 생활에 적응하면서 너무 빨리 시간이 지나갔다는 이야기를 듣게 되고 서로 친하게 되는 모습을 보게 될 때마다 융합이란 것은 기술이나 연구성과에서 만이 아니라 인간관계에서도 절실히 필요하다는 사실을 피부로 느끼게 됐다.
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