새로운 로봇 가오리는 심장 세포로 구동되는 부분적 생물체이다. 로봇에 생명체가 들어가 부분 생물체로 만든다.
새로운 로봇 가오리는 심장 세포로 구동되는 부분적 생물체이다. 로봇에 생명체가 들어가 부분 생물체로 만든다.
  • 최용환 기자
  • 승인 2019.07.08 11:07
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[퓨처타임즈=최용환기자]새로운 로봇 가오리는 심장 세포로 구동되는 부분적 생물체이다.

하버드대학교의 연구진들은 바이오 하이브리드 가오리를 만들었다. 동전 크기보다 크지 않은 가오리는 인공 부분과 생물학적 부분을 동시에 가지고 있다. 살아있는 쥐의 심장 세포와 인공 물질을 섞어 만든 이 로봇의 길이는 16mm에 불과하고 무게는 겨우 10g이다. 쥐의 심근세포를 실리콘 몰드에 배양하여 3D 프린트된 금 골격에 부착시켰다. 이 가오리는 움직일 수 있다. 연구진은 광유전학 기술을 이용하여 심근세포에 빛에 반응하는 광감성 이온 채널 단백질(ChR2)이 발현하도록 유전자 조작을 가했다. 빛에 반응하도록 유전자를 조작했기 때문에 외부에서 빛으로 자극을 주면 움직인다.

아래 영상 참조

살아 있는 가오리의 근육을 모방하여 만든 몰드 안에 이틀 된 쥐 배아에서 채취한 심장세포를 배양한다. 로봇은 쥐의 심근세포에서 배양된 외피로 이뤄져 있어 실제로 물고기가 헤엄치는 것처럼 빛을 따라 유연하게 움직인다. 로봇은 실제 가오리와 마찬가지로 지느러미를 파도처럼 움직여 부드럽게 물속을 헤엄친다. 깜박이는 불빛을 지느러미 표면에 붙인 심장 근육에 쏘아서 움직임을 조종한다. 가오리를 움직이는 데에는 다양한 광원이 사용되며 가오리는 시간 당 9미터의 속도로 움직인다.

바이오 하이브리드 가오리를 비슷한 로봇과 어떻게 비교할 수 있는가? 여러 가지 점에서 생물학적 구성요소 때문에 이전의 생체모방 무인항공기 스타일의 해파리나 비행로봇 젤리피시의 발전 형태라고도 볼 수 있다. 그러나 정확하게 말하면 로봇 가오리는 물속 생물체는 아니다. 가오리는 근육세포가 살아 있을 수 있도록 쥐의 신체의 온도를 가진 따뜻한 소금과 설탕 용해액으로 만든 영양액(’타이로드용액, Tyrode’s solution)이 있어야 한다. 그래서 아직 연구소를 벗어날 수 없다.

그럼에도 불구하고 이것은 멋진 발명품이다. 전적으로 기계적이지 않은 로봇이라는 흥미로운 결과를 보여 주었다. 유전자 엔지니어링과 세포 배양, 생체 모방, 광유전학 발전을 통합한 듯한 이 가오리는 미래에 새로운 기술들이 어떻게 융합해나갈지를 환상적으로 보여주었다.

펜실베이니아의 웨스트체스터대학교 생체역학자(biomechanist)인 프랭크 피시는 이렇게 말했다. ‘실제로 생물학과 공학이 융합되는 지점을 보게 되었다.’

왜 바이오하이브리드 가오리로 시작한 것일까?

하버드 대학교의 응용물리학자이며 바이오하이브리드 가오리의 발명자인 케빈 키트 파커 교수는 일생을 인공 심장을 만드는데 전념해왔다. 그의 전공은 의약품 안전과 효과 테스트에 사용하는 소형 인간 장기 개발이다. 그러나 몇 년 전 딸을 데리고 수족관에 갔다가 로봇 공학으로 방향을 틀었다고 한다. 그는 어린 딸과 함께 ‘뉴잉글랜드 수족관’을 방문했다가 가오리가 헤엄을 치는 것을 보았는데 딸에게 레이저 포인터를 이용해 길을 안내하면서 가오리를 빛으로 안내한다는 아이디어를 얻었다.

그는 해파리를 닮은 간단한 실리콘 몰드를 만들고 심장세포를 이식하고 이를 전류로 조종해보았다. 4년 뒤 해파리 실험과 가오리 해부를 통한 연구, 빛을 이용한 움직임 통제 기술의 발전으로 바이오 하이브리드 가오리를 보게 된 것이다.

파커 교수는 이렇게 말했다. ‘모든 사람은 서로 다르게 본다. 나는 가오리를 보면서 심장을 이해하려고 노력해왔다. 그리고 7살 된 내 딸은 깊은 감명을 주었다.’

이번에 개발된 인공 로봇 가오리는 고분자 탄성 중합체(polydimethylsiloxane, PDMS)로 구성된 몸체에 금을 증착해서 뼈대를 구성하고, 그 뼈대에 쥐의 심근세포를 배양해 바이오 로봇의 근육조직을 만들었다. 세포의 조종은 광유전학을 이용했다. 뉴런이나 심근세포는 원래 빛에 반응하지는 않지만 광유전학을 사용해 단백질을 빛에 반응하게 만드는 DNA를 넣어 세포를 빛에 민감하게 만들었다. 빛을 비추면 조작된 세포가 수축해 지느러미 아래쪽으로 파도 같은 움직임이 생긴다. 세포가 이완되면 로봇의 뼈대가 지느러미를 다시 위로 올린다. 그 결과 로봇 가오리는 빛을 따라 헤엄치게 되는 것이다.

‘IEEE 스펙트럼‘은 이번 성과를 ’쥐의 근육과 금으로 만든 사이보그 가오리‘라고 소개했다. 연구팀이 공개한 동영상에 따르면 가오리 로봇은 물위를 움직이는 것 처럼 보인다. IEEE 스펙트럼은 미래에는 로봇과 생물학이 결합해 하이브리드 형태의 동물을 만들어낼 수 있을 것이라고 예견했다. 앞으로 세포를 살아있는 공학 재료로 사용하려 하는 로봇 공학자 등 여러 분야의 과학자들이 로봇 가오리에 관심을 가질 수 있을 것이다.

 

Image courtesy of Captain DJ on Flickr

 


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