인간과 로봇의 새로운 공존 나노봇(Nanobot).
인간과 로봇의 새로운 공존 나노봇(Nanobot).
  • 금민호 기자
  • 승인 2019.05.14 11:29
  • 댓글 0
이 기사를 공유합니다

사진 UN미래포럼
사진 UN미래포럼

[퓨처타임즈=금민호 기자] 인간과 로봇의 새로운 공존 나노봇(Nanobot). 끊임없이 변화하는 조건을 가진 예측할 수 없는 생체 내 환경에서 질병을 치료하고 진단하는 다기능 나노로봇이 나온다.

나노봇은 나노기술을 통해 탄생된 로봇이다. 몸속의 혈구보다 더 작은 크기의 로봇으로 몸속에 투입되어 질병을 진단하고 치료할 수 있다. 나노봇 기술은 3D 프린팅, 클라우드 컴퓨팅, 웨어러블 디바이스 등 다른 기하급수적 기술과 결합하여 더욱 큰 시너지 효과를 발휘한다. 대부분의 사람들은 ‘의료 로봇’이라는 단어에서 아마도 최소 침습수술방식에 혁명을 일으킨 다빈치 로봇수술 시스템(da Vinci surgical system)을 떠올린다. 만약 당신이 SF팬이라면 ‘스타워즈 - 제국의 역습’ 편에 나왔던 2-1B 드로이드를 떠올릴 수도 있다. 

그러나 의학로봇 분야에서 가장 흥미진진한 발전은 마이크로 스케일과 나노 스케일에서 일어나고 있다. 사이언스 로보틱스(Science Robotics) 저널에 실린 최근 논문에 의하면 소재과학과 생체 의학의 발전을 통해 약물을 전달하고 정밀 수술을 수행하며 진단의학을 획기적으로 개선할 수 있는 새로운 종류의 소형 로봇이 개발되고 있음을 강조하고 있다. 바이러스의 크기는 10~1000 나노미터로 세균 여과기를 통과할 정도로 작다. 나노(Nano)는 그리스어로 난쟁이를 뜻하는 나노스(Nanos)에서 유래된 것으로 1 나노미터(nm) 는 10억분의 1 미터를 의미한다. 바이러스의 크기가 나노미터로 표현될 만큼 작기 때문에 나노기술을 의료기술과 융합한 나노의학이 바이러스 정복을 위한 돌파구로 각광을 받고 있다.

나노봇은 사람 몸속에 들어가 잠수함처럼 혈관 속을 헤엄치면서 바이러스를 죽이거나, 손상된 세포를 수리한다. 나노봇의 내부에는 목표물인 병원균의 모양을 감지하고 식별하는 나노센서와,찾아낸 목표물을 파괴하도록 프로그램된 나노컴퓨터가 들어 있다. 혈류 속에서 움직이는 나노봇은 나노센서로부터 정보를 받아 나노컴퓨터에 저장된 병원균의 자료와 비교한 다음 바이러스로 판단되면 바로 약물을 방출해서 바이러스를 죽일 수 있다.

논문의 저자는 몇 마이크로미터 이하의 소형 다용도 로봇을 설계하면 인체 전체에 접근할 수 있고 세포 수준까지 새로운 치료 절차를 수행할 수 있어 정밀하고 효율적인 진단과 치료를 제공할 수 있을 것이라고 설명하고 있다.

 

이러한 크기의 장치를 설계하는 것은 무엇보다도 중요한 도전 과제를 안고 있다. 마이크로 스케일과 나노 스케일 기계는 낮은 레이놀즈 수(Reynolds number, 움직이는 유체 내에 물체를 놓거나 유체가 관속을 흐를 때 난류와 층류의 경계가 되는 값) 환경에서 작동하며, 기본적으로 관성은 거의 아무런 역할을 하지 않는다. 이러한 크기에서는 브라운 운동 상수의 대상이 되어 액체 또는 기체가 불규칙하게 움직이는 원인이 되기도 한다.

그러므로 나노봇에서는 거대 규모의 로봇에서 사용되는 전통적인 수영과 항법 전략은 효과가 없으므로 이러한 환경을 공유하는 미생물에게 영감을 얻는 새로운 접근 방식을 만들어야 한다는 것을 의미한다. 동시에 기존의 배터리와 같은 전원 장치 접근 방식은 이러한 크기로 축소할 수 없다. 그래서 환경에서 이용할 수 있는 연료 또는 자기장이나 초음파와 같은 외부 전원을 사용하는 화학 동력 모터에 의존해야 한다.

그러나 이러한 번거로운 제약 조건에도 불구하고 과학자들은 복잡한 생체 환경을 탐색하고 생검 샘플을 채취하고 약물을 전달하며 질병을 진단할 수 있는 여러 가지 소형 로봇을 시연해왔다. 이 작은 장치들이 앞으로 의료 문제에 대한 유망한 접근법이 될 것이라는 아래의 영역에 대해 설명하고자 한다.

 

1. 표적 약물 전달

나노 기술 공학자가 약물 전달을 연구하는 일은 새로운 것은 아니다. 하지만 기존의 대부분 솔루션은 신체의 자연 순환계에 의존하여 필요로 하는 곳에 약물을 전달했다. 그러나 소형 로봇을 사용하면 목표 지점에 빠르고 정확하게 약물을 투여할 수 있으므로 약물의 효과를 높이고 약물의 부작용을 줄일 수 있다.

이러한 나노봇을 추진하기 위한 가장 대중적인 전략은 화학나노모터이다. 화학나노모터는 작은 입자로 구성되어 있고 화학 연료를 분해하여 앞으로 나갈 수 있는 버블을 생성한다. 연료는 대개 나노 모터와 함께 추가되어야한다. 그동안 화학나노모터에 관한 대부분의 연구는 살아있는 유기체보다는 시험관에서 이루어졌다.

그러나 최근 위산이나 물과 같은 생물학적 유체에 의해 구동되는 합성 모터 등 생체 내 실험이 유망한 결과를 얻게 되면서 화학나노모터가 더욱 보편화되기 시작했다. 또한 이러한 솔루션을 선택하면 목적을 달성한 후에는 나노봇의 많은 부분들이 비독성 물질로 변질되어 이를 회수해야하는 문제를 해결하게 된다.

또한 자기장이나 초음파와 같은 외부 소스를 사용하여 전달 장치를 생체 내에서 작동하는 방식을 시연하기도 했다. 특히 하나의 인상적인 연구에서 연구진은 자기력선을 따라 자연스럽게 움직이고 낮은 산소 농도를 향해 로봇처럼 움직이는 박테리아를 공동 개발했다. 연구진은 약물이 함유된 방울을 박테리아에 부착시켜 자기장을 사용하여 일반적으로 치료에 매우 강력한 저항을 보이는 산소가 고갈된 종양 부위로 유도하는데 성공했다.

 

2. 정밀 수술

침습적 수술의 범위를 줄이기 위한 많은 진전이 이루어졌다. 하지만 나노 로봇은 신체 표면의 상처가 주사로 인한 천공 구멍뿐인 수술을 바라보고 있다. 또한 나노 로봇은 도달하기 어려운 곳에서도 수술할 수 있고 세포 수준의 단계에서 수술 절차를 수행할 수 있다.

하나의 유망한 유형의 소형 로봇은 조직과 세포를 포착하고 채취할 수 있는 별 모양을 가진 300마이크론 크기의 '마이크로그리퍼(microgrippers)‘이다. 기계적 또는 전기적 신호로 제어되는 마이크로그리퍼 버전은 잠시 동안 사용되었지만 비교적 큰 크기를 가지고 있다. 이제 소재과학의 진보는 새로운 버전의 가능성을 열었다. 새로운 기기는 자기 접이식 기능에 의존하여 표적 조직을 감싸고 온도나 pH와 같은 다양한 환경 신호에 의해 촉발시킬 수 있다.

자기 제어식 마이크로봇은 두꺼운 조직에 침투할 수 있는 자기장의 능력을 이용할 수 있으므로 수술 절차 진전에 큰 가능성을 보여준다. 연구원들은 자기 제어식 마이크로봇을 사용하여 살아있는 토끼의 안구 속 수술을 수행할 수 있는 능력을 시연했다.

초음파를 이용하여 생체에 적합한 연료를 기화시켜 초당 6미터의 속도로 병든 조직 깊숙이 침투하도록 할 수 있는 소위 마이크로 발사체(microbullets)를 유발할 수도 있다. 마지막으로 화학 연료를 사용하여 나노드릴러(nanodrillers)의 나선형 움직임에 동력을 공급하여 조직을 천공하고 삽입할 수 있다.

 

3. 센서 감지와 해독

정확한 연료가 존재하는 상태에서 나노 모터를 넣으면 계속 움직일 수 있다. 이러한 지속적인 움직임은 용액 내의 특정 화합물의 검출 속도와 주변 환경의 독소 제거 속도를 높이는 데 특히 유용하게 사용된다.

끊임없이 움직이는 나노 모터에 생체감지물질(bioreceptor)을 부착하면 단순히 떠다니는 것보다 훨씬 빠르게 목표하고 있는 분자와 충돌하여 자체 혼합 솔루션을 만들 수 있다. 이러한 기기들은 표적 세포를 탐지하고 이송하기에 충분히 강력하게 만들 수 있다. 이와 유사한 방식을 사용하여 자체 추진 나노봇은 생물학적 환경에서 신속하게 독소를 표적화하고 제거할 수 있다.

 

향후 도전 과제

현장에서의 진전에도 불구하고 이 논문에서는 앞으로 다룰 필요가 있는 여러 가지 문제점들을 강조하고 있다. 무엇보다 먼저 연구대상이 되는 나노 모터 중 상당수가 과산화수소를 연료로 사용하고 있다. 이는 생체에 적합하지 않다.

자기장과 초음파를 사용하여 나노봇에 전원을 공급하는 것이 외과 수술에 적합하다. 하지만 다른 응용 분야에서는 인간의 개입 없이 자율적으로 움직일 수 있어야 한다. 글루코오스 또는 요소와 같은 체액 내의 화학 물질로 동력을 공급하는 나노모터에 관한 최근 연구는 전망이 좋지만 앞으로 상당한 연구가 필요하다.

생물학적 환경은 끊임없이 변화하는 조건을 가진 예측할 수 없는 곳이다. 따라서 오작동하지 않는 다기능 로봇을 만들기 위해서는 상당한 혁신이 필요하다. 합성나노디바이스를 생물학적 물질과 결합시켜 면역 반응을 피하는 방법은 유망한 접근법 중 하나이다.

합리적인 원가로 치료 목적에 필요한 수준까지 이러한 나노봇 기기의 생산 규모를 상업화하는 것과 3D 나노프린팅을 이용하는 것은 또 다른 도전 과제이다.

 

출처:UN미래포럼


댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글 0
댓글쓰기
계정을 선택하시면 로그인·계정인증을 통해
댓글을 남기실 수 있습니다.

  • 서울특별시 영등포구 국회대로 800 (여의도동, 여의도파라곤) 1236호
  • 대표전화 : 02-783-7789
  • 팩스 : 02-783-7790
  • 청소년보호책임자 : 최성립
  • 법인명 : 퓨처타임즈
  • 제호 : 퓨처타임즈
  • 등록번호 : 서울 아 51999
  • 등록일 : 2017-11-20
  • 발행일 : 2017-05-01
  • 발행인 : 송승호
  • 편집인 : 송승호
  • 퓨처타임즈 모든 콘텐츠(영상,기사, 사진)는 저작권법의 보호를 받은바, 무단 전재와 복사, 배포 등을 금합니다.
  • Copyright © 2019 퓨처타임즈. All rights reserved. mail to
ND소프트