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2026-02-18 (수)

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[퓨처 Eyes(118)] "물 속 헤엄치듯"⋯뇌와 근육 가진 '세포급 자율 로봇' 탄생

로봇의 정의가 바뀌고 있다. 지금까지의 로봇이 팔과 바퀴를 단 거대한 기계 장치였다면, 이제는 생명체의 기본 단위인 '세포' 크기로 축소돼 스스로 생각하고 판단하는 인공 미생물의 단계로 진입했다. 미국 펜실베이니아대학교와 미시간대학교 공동 연구진이 최근 국제 학술지 '사이언스 로보틱스(Science Robotics)'와 '미국 국립과학원회보(PNAS)'에 동시 발표한 연구 성과는 로봇공학의 40년 숙원을 푼 쾌거로 평가받는다. 연구진이 공개한 로봇은 크기가 200×300×50마이크로미터(㎛)에 불과하다. 소금 알갱이보다 작아 현미경 없이는 식별조차 불가능한 이 기계가 외부의 전선이나 원격 조종 없이 스스로 판단하고 움직이는 '완전 자율 주행'에 성공한 것이다. 마이크로 세계의 '물리 법칙'을 극복하다 우리가 사는 거시 세계와 미생물이 사는 미시 세계는 물리 법칙이 전혀 다르게 작용한다. 연구를 주도한 마크 미스킨(Marc Miskin) 펜실베이니아대 교수는 이 차이를 "수영장에 꿀이나 타르(Tar)를 가득 채우고 수영하는 것과 같다"고 비유했다. 사람이나 물고기처럼 큰 물체는 관성을 이용해 물을 뒤로 밀어내며 앞으로 나아간다. 하지만 몸집이 세포만큼 작아지면 물의 점성(끈적임)이 압도적인 힘을 발휘한다. 관성이 거의 작동하지 않는 이 세계에서는 기존의 프로펠러나 지느러미 방식이 무용지물이 된다. 팔다리를 젓는 순간 저항에 부딪혀 부러지거나 제자리걸음을 할 뿐이다. 연구진은 이를 극복하기 위해 기계적 부품을 모두 없애고 '전기운동(Electrokinetic, 일렉트로키네틱)' 추진 방식을 도입했다. 로봇이 전극을 통해 미세한 전기장을 형성하면, 주변 용액 속의 이온(Ion)들이 이동하기 시작한다. 이 이온의 흐름이 물 분자를 끌고 가면서 마치 강물이 흐르듯 물살을 만들어낸다. 미스킨 교수는 "로봇이 스스로 '강물'을 만들어 그 흐름을 타고 이동하는 원리"라고 설명했다. 덕분에 모터나 기어 같은 움직이는 부품 없이도 방향 전환은 물론 복잡한 경로 주행, 심지어 물고기 떼와 같은 군집 유영까지 가능해졌다. 스마트워치 10만분의 1 전력으로 '생각'하다 몸체보다 더 큰 난관은 '두뇌'였다. 좁쌀보다 작은 로봇 표면에 태양전지를 붙이고 나면, 연산 장치(컴퓨터)를 넣을 공간은 거의 남지 않는다. 게다가 태양전지가 생산하는 전력은 고작 75나노와트(nW). 이는 스마트워치 구동 전력의 10만분의 1에 불과한 극미량이다. 이 불가능에 가까운 미션을 해결한 것은 '세계에서 가장 작은 컴퓨터' 제작 기록을 보유한 미시간대 데이비드 블라우(David Blaauw) 교수팀이었다. 그들은 기존 반도체 회로 설계를 원점에서 재검토했다. 연구진은 초저전압에서 작동하는 특수 회로를 설계해 전력 소모를 기존 대비 1000배 이상 줄였다. 미스킨 교수는 "자율 로봇을 1만 배 더 작게 만들었다"고 표현했다. 그는 "1㎜ 미만 크기의 로봇이 독립적으로 작동하도록 만드는 일은 극도로 어려운 과제였고, 이 분야는 사실상 40년 가까이 같은 벽에 막혀 있었다"고 말했다. 더 놀라운 것은 '사고의 압축'이다. 보통 로봇을 움직이려면 복잡한 명령어 세트가 필요하지만, 연구진은 추진 제어에 필요한 수많은 단계를 단 하나의 특수 명령어로 압축했다. 머리카락 굵기보다 작은 메모리 공간에 운영체제(OS)를 구겨 넣는 혁신을 통해, 로봇은 외부 도움 없이 스스로 센서 데이터를 분석하고 행동을 결정할 수 있게 됐다. 와이파이 대신 '꿀벌의 춤'으로 대화한다 이 초미세 로봇은 섭씨 0.3도 수준의 미세한 온도 변화를 감지할 수 있다. 세포 단위의 미세 환경에서 온도 변화는 암세포의 증식이나 염증 반응을 알리는 중요한 신호다. 그렇다면 로봇은 감지한 정보를 어떻게 인간에게 전달할까. 무선 통신 칩을 넣을 공간도, 전력도 없는 상황에서 연구진은 자연에서 힌트를 얻었다. 바로 '꿀벌의 춤(Waggle Dance)'이다. 로봇은 온도 데이터를 전송하고 싶을 때, 빛의 펄스에 맞춰 특정한 패턴으로 몸을 흔드는 '춤'을 춘다. 연구진은 현미경 카메라로 이 움직임을 촬영해 데이터를 해독한다. 전파 대신 움직임으로 대화하는, 가장 원초적이면서도 효율적인 통신 방식이다. 또한 각 로봇에는 고유 주소(ID)가 부여되어 있어, 수천 마리의 로봇 떼에 각기 다른 임무를 부여하는 '미시적 분업'도 가능하다. 1센트의 혁명…"내구성은 피펫을 통과할 정도" 이 로봇의 진정한 가치는 '확장성'과 '양산성'에 있다. 기존의 마이크로 로봇들이 실험실에서 수작업으로 만들어진 고가의 장비였다면, 이번 로봇은 반도체 공정을 통해 웨이퍼 위에서 한 번에 수백만 개를 찍어낼 수 있다. 개당 제작 비용은 약 1센트(약 14원) 수준이다. 내구성은 상상을 초월한다. 움직이는 부품이 없기 때문에 연구원이 주사기(피펫)로 로봇을 빨아들여 다른 용기로 옮겨도 전혀 손상되지 않는다. 이는 실제 의료 현장에서 주사기를 통해 인체에 투입될 수 있음을 시사한다. 미스킨 교수는 "우리는 눈에 보이지 않는 크기의 기계에 뇌와 감각, 근육을 모두 집어넣고 수개월간 안정적으로 작동시켰다"며 "이것은 끝이 아니라 시작이다. 이제 우리는 이 플랫폼 위에 어떤 지능과 기능을 더 얹을지 행복한 고민을 시작했다"고 말했다. 세포급 자율 로봇의 등장은 의료와 제조 산업의 경계가 무너짐을 의미한다. 혈관 속을 헤엄치며 개별 세포를 수리하는 '나노 의사'나, 눈에 보이지 않는 기계를 조립하는 '마이크로 공장'이 더 이상 SF 영화 속 이야기가 아니다. 인류는 이제 물질을 다루는 손길을 원자 단위에 가깝게 뻗을 수 있는 새로운 도구를 손에 쥐게 됐다.
- 포커스온
2026-01-15 10:23:00
[신소재 신기술(183)] 마이크로로봇으로 부비동염 치료⋯중국·홍콩, 약물 없는 신기술 개발

'마이크로로봇 군단'이 코 막힘 치료에 나섰다. 중국과 홍콩의 연구진이 비강을 통해 투입되는 초소형 로봇 군단을 이용해 농과 점액을 녹이고 부비동염을 치료하는 신개념 비침습 의료기술을 개발했다고 과학 전문 매체 ZME가 보도했다. 해당 기술은 약물을 투입하는 대신 로봇 자체의 표면에서 박테리아를 분해하는 화학반응을 유도해 감염 부위를 직접 타격하는 방식이다. 현재 동물실험 단계에 있으며, 향후 임상시험을 거쳐 인체 적용 가능성을 타진할 계획이다. 비강 투입형 로봇, '현장 생성 무기'로 박테리아 제거 이 치료법은 길이 수 마이크로미터(μm)에 불과한 마이크로로봇을 전자기 유도 방식으로 조종해 콧속 부비강에 투입하고, 로봇 표면에서 광촉매 반응을 유도해 활성산소종(reactive oxygen species, ROS)을 생성한다. 이 산화물은 박테리아 생물막을 분해하고, 점액을 녹이며, 감염 부위를 정화하는 데 사용된다. 기존 마이크로로봇이 항생제를 실어 나르던 방식과 달리, 이번 기술은 로봇 자체가 화학 무기 역할을 하며 약물 내성의 우려를 줄이고, 인체에 약물을 축적시키지 않는다는 장점이 있다. 연구진은 이를 "비침습적이고, 내성 우려가 낮으며, 약물 비의존적인 치료 플랫폼"이라 표현했다. 동물실험에서 효과 입증…향후 인체 적용 과제가 관건 중국 광시성, 선전(심천), 장쑤성(강소성), 양저우(장쑤성에 위치한 도시), 마카오 등의 공동 연구진은 이 기술을 돼지와 토끼의 부비강에 적용한 결과, 점액층과 농, 박테리아 생물막을 효과적으로 제거하는 데 성공했다. 다만, 현재까지는 동물실험에 국한되며, 인체 대상 임상시험은 아직 이뤄지지 않았다. 향후 과제는 ▲로봇의 정확한 위치 조종, ▲치료 후 로봇의 완전한 회수 또는 생분해 보장, ▲인체 안전성 검증, ▲대중 수용성 확보 등이다. 관련 기술이 임상 승인과 시장 출시까지는 보통 5~10년의 시간이 소요된다. "약물 도달률 극대화…코뿐 아니라 방광·장기 감염에도 적용 가능" 연구진은 이번 기술이 비단 비염이나 부비동염뿐 아니라 방광염, 장내 감염 등 전신 투약으로 치료하기 어려운 감염 부위에도 적용 가능할 것으로 기대하고 있다. 기존 항생제는 전신에 분산돼 일부만 감염 부위에 도달하지만, 마이크로로봇은 감염 부위에 직접 도달해 치료 효율을 극대화할 수 있다는 점이 핵심이다. '로봇 체내 주입 불안…대중 수용성 과제도 남아 한편, 로봇을 체내에 삽입한다는 점에서 대중의 거부감이나 음모론 확산 가능성에 대한 우려도 제기된다. 캐나다 몬트리올 폴리테크닉의 나노로보틱스 연구소장 실뱅 마르텔 교수는 영국 일간지 '가디언'과의 인터뷰에서 "대중은 초기에 거부감을 보일 수 있지만, 익숙해지는 데는 그리 오래 걸리지 않는다"고 밝혔다. 이번 연구는 국제 학술지 '사이언스 로보틱스(Science Robotics)'에 게재됐다.
- IT/바이오
2025-06-30 10:02:00
[신소재 신기술(142)] 난임 치료의 혁신-나팔관 막힘 제거하는 '자성 로봇 나사' 개발

난임 치료 분야에서 기존의 수술법을 대체할 수 있는 획기적인 기술이 등장했다. 자성으로 구동되는 마이크로 로봇 나사가 나팔관 막힘을 제거하는 방식으로, 난임의 주요 원인 중 하나를 해결하는 새로운 가능성을 열었다. 중국 선전 첨단기술연구원(SIAT) 자성 소프트 마이크로로봇 연구실은 나팔관 폐쇄로 인한 여성 난임 치료를 위해 '자성 마이크로 로봇(magnetic microrobot)' 나사를 개발했다고 인터레스팅엔지니어링이 전했다. 이는 전 세계 수백만명의 여성에게 영향을 미치는 나팔관 폐쇄 문제를 해결할 수 있는 기술로 주목받고 있다. 자성 로봇은 회전하는 자기장을 이용해 기계적인 움직임을 발생시키며, 기존의 카테터와 유도 와이어를 이용한 수술적 방식보다 덜 침습적인 치료법으로 기대를 모은다. 연구진은 이번 기술이 난임 치료 방법을 개선하고, 나팔관 폐쇄로 임신에 어려움을 겪는 여성들에게 새로운 희망을 제공할 것이라고 밝혔다. 정밀한 로봇 기술로 나팔관 폐쇄 난임 해결 전 세계적으로 약 1억8600만명이 난임을 겪고 있으며, 여성 난임 사례의 11~67%가 나팔관 폐쇄로 인한 것이다. 전통적인 치료법은 카테터와 유도 와이어를 사용해 나팔관을 뚫는 방식이지만, 이러한 절차는 환자의 몸에 기기를 삽입해야 하며 침습적이고 불편함을 유발할 수 있다. 이에 연구팀은 기존 수술법보다 덜 침습적인 대안을 개발하고자 했다. 연구팀이 개발한 마이크로 로봇은 비자성 감광성 수지로 제작된 후, 표면에 얇은 철층을 입혀 자성을 부여했다. 로봇은 자기장에 반응해 회전하며, 이를 통해 나팔관을 모사한 유리 채널을 통과한다. 실험 결과 이 로봇은 여성 생식 기관에서 발생하는 막힘을 모방한 세포 덩어리를 성공적으로 제거했다. 자성 마이크로 로봇은 섬세하고 좁은 나팔관 구조를 정확하게 통과하며, 정확한 내비게이션이 가능함을 입증했다. 로봇이 회전하는 동안 소용돌이장을 형성해 막힌 찌꺼기를 뒤쪽으로 밀어내며 막힘을 효과적으로 제거한다. 이 같은 특별한 움직임과 설계는 나팔관 내 장애물을 효율적이고 정밀하게 제거하는 데 기여한다. 마이크로 로봇, 다양한 실험 통해 효과 입증 연구팀은 다양한 실험을 통해 시스템의 유효성을 입증했다. 회전하는 로봇 나사가 장벽에 쌓인 찌꺼기를 밀어내며, 시뮬레이션된 나팔관 막힘을 효과적으로 제거하는 모습을 보였다. 팀은 향후 더 정교하고 소형화된 로봇을 개발할 계획이며, 실제 장기 모델에서의 테스트와 실시간 위치 추적을 위한 생체 내 이미징 시스템 통합을 목표로 하고 있다. SIAT 염구팀의 하이펑 쉬(Xu Haifeng)는 "이번 기술은 기존의 카테터와 유도 와이어를 이용한 수술 방식부다 덜 침습적인 대안이 될 수 있다"며 "환자의 부담을 덜고 치료효과를 높이는 데 기여할 것"이라고 밝혔다. 연구팀은 자동 제어 시스템을 개발해 막힘 제거의 효율성을 높이고, 수술 등 다양한 의료 분야에 이 기술을 확대 적용할 계획이다. 쉬 박사는 "궁극적으로 난임을 겪는 환자들에게 더 효과적이고 최소 침습적인 솔루션을 제공하는 것이 목표"라고 덧붙였다. 이번 연구 결과는 학술지 'AIP 어드밴시스(AIP Advances)'에 게재됐다.
- IT/바이오
2024-12-24 15:34:00