보도일시	2021. 10. 14.(목) 조간(온라인 10. 14. 04시 국제엠바고)부터 보도해 주시기 바랍니다.
배포일시	2021. 10. 13.(수) 09:00	담당부서	기초연구진흥과
담당과장	김보열(044-202-4530)	담 당 자	문영근 사무관(044-202-4534)
관련기관	아주대학교 자연모사연구실 한승용 교수 (031-219-2685)

생명체와 상호 교감이 가능한 초소형 소프트 로봇 개발

- 의료용 로봇으로 활용 기대 … 사이언스 로보틱스지 게재 -

□ 과학기술정보통신부(장관 임혜숙)는 한승용․강대식․고제성 교수(아주대학교 자연모사연구실) 연구팀이 사람 손 형상을 닮은 초소형 소프트 로봇(그리퍼)을 개발했다고 밝혔다.

ㅇ 돼지 혈관이나 달팽이 알처럼 조심스럽게 다뤄야 하는 대상을 부드럽게 잡고 맥박이나 심장박동 같은 실시간 생체신호를 측정할 수 있는 다섯 손가락 형상의 초소형 로봇을 개발한 것이다.

ㅇ 과학기술정보통신부 개인기초연구(신진연구) 사업의 지원으로 수행된 본 연구 성과는 로봇 분야 세계최고 권위 학술지인 국제학술지 사이언스 로보틱스(Science Robotics)에 10월 14일 04시(한국시간) 게재되었다.

□ 기존 로봇(그리퍼)은 단순히 대상을 잡기 위한 용도로서 주로 단단한 물질로 만들어져 부드러운 대상을 잡는데 한계가 있었으며, 대상으로부터 신호를 받을 수 있는 센서를 함께 구현하려면 부피가 커져 작은 대상을 잡는데 어려움이 있었다.

□ 이에 연구팀은 경도(단단함)와 연성(부드러움)을 조절할 수 있는 소재(형상기억폴리머*)를 채택하여 피부의 성질과 비슷한 기계적 특성을 구현하고, 아주 얇은 은나노선과 레이저 공정을 활용하여 센서의 크기를 줄여 로봇의 크기를 길이 5mm 이하로 줄이는 데 성공했다.

* 형상기억폴리머(Shape memory polymer) : 폴리우레탄 계열의 폴리머로써 변형을 해도 유리전이온도 이상에서 본래 형상으로 돌아가는 스마트 소재

ㅇ 로봇(그리퍼)에 탑재된 센서는 잡고 있는 대상의 미세한 움직임을 측정하고 은나노선을 통해 대상에 열적 자극도 전달할 수 있도록 설계되어 물체로부터의 신호를 모니터링 하는 동시에 자극을 주는 양방향 입출력이 가능하도록 하였다.

□ 실제로 연구팀은 이 로봇을 통해 직경 3mm도 안되는 작고 부드러운 달팽이 알을 터트리지 않고 잡아서 열을 가해 부화시키는데 성공했으며, 부화 과정에서 발생하는 미세한 기계적 움직임을 측정함은 물론, 부화 직후 달팽이의 미세 심장 박동수까지 정확히 측정해냈다.

ㅇ 또한 로봇 자체 무게보다 최대 6,400배 무거운 물체를 순간적으로 들어 올리는 한편 돼지 혈관을 상처 없이 잡아 맥박을 측정하였는데, 이는 ‘마이크로미터 단위의 미세 유기체를 상처 없이 잡아 미세 생체 신호를 측정한 최초의 사례’라고 연구팀은 설명했다.

<(그림 1) 경도 및 연성 조절이 가능한 로봇(소프트 그리퍼)>

‣형상기억폴리머로 만들어진 로봇(소프트 그리퍼)은 강성을 조절(가변 강성)할 수 있어 터지기 쉬운 연어 알을 손상 없이 잡을 뿐만이 아니라 자신보다 1,200배 무거운 추를 지속적으로 들 수 있다.

□ 한승용 교수는 “기존 로봇(그리퍼)은 잡은 대상의 반응만을 측정하지만 이번에 개발한 그리퍼는 측정과 동시에 자극도 줄 수 있어 의료 분야에서 진단 및 치료 과정의 모니터링에 활용 가능할 것”이라며 향후 후속연구를 통해 약물전달, 무선동작 등의 기능을 추가할 예정임을 밝혔고,

○ “현재 많은 난제들이 쌓여있는 사람의 세포 단위 유기체를 기계적으로 상처 없이 잡아 원하는 위치에 고정하여 자극에 대한 반응을 분석 할 수 있는 새로운 플랫폼으로 도전할 계획”이라고 밝혔다.

<참고자료> : 1. 논문 정보          2. 연구이야기          3. 용어설명

4. 그림설명	5. 연구자 이력사항

	이 자료에 대하여 더욱 자세한 내용을 원하시면 과학기술정보통신부 문영근 사무관(☎ 044-202-4534) 또는 아주대학교 한승용 교수(☎ 031-219-2685)에게 연락주시기 바랍니다.

논문 정보

□ 논문명

○ Vital signal sensing and manipulation of a micro-scale organ with a multifunctional soft gripper / Science Robotics

□ 저자

○ 노연욱(공동 제 1저자, 아주대), 김민호(공동 제 1저자, 아주대), 원상민(공동 제 1저자, 성균관대), 임다슬(아주대), 홍인식 (아주대), 이승곤(아주대), 김태위(아주대), 김창환(아주대), 이두회(아주대), 임성훈(아주대), 이건희(한국기계연구원), 김동진(아주대), 신동욱(아주대), 공도현(아주대), 김백겸(아주대), 김성연(아주대), 김선경(아주대), 김현국(조선대), 구본권(서울대), 서상철(을지대), 고제성(교신저자, 아주대), 강대식(교신저자, 아주대), 한승용(교신저자, 아주대)

□ 내용 요약

○ 형상기억 폴리머와 나노 물질을 이용하여 사람 손의 구조, 감각 기능을 모사한 초소형 소프트 그리퍼(Soft gripper)를 개발하였다.

○ 소프트 그리퍼는 부드러운 강성을 이용해 물체를 손상없이 잡을 수 있지만 대상을 강하게 고정하거나 무거운 물체를 들어 올리는데 한계를 지닌다. 또한 소프트 그리퍼의 감각 기능 부여를 위해 많은 인공 피부가 개발되고 있지만 낮은 민감도로 인해 외부 환경 및 작은 생명체의 미세 생체신호를 측정하는데 어려움을 보이고 있다.

○ 이 같은 한계점을 극복하기 위해 부드러움과 딱딱함을 필요에 따라 조절 할 수 있는 가변 강성 형상기억폴리머를 이용해 소프트 그리퍼를 제작하였다. 제작된 소프트 그리퍼는 터지기 쉬운 연어 알을 손상 없이 잡고, 자신보다 1,200배 무거운 추를 오랫동안 들어 올리는 우수한 성능을 보였다. 또한 소프트 그리퍼 안에 내장된 은 나노와이어와 크렉 기반 스트레인 센서는 3 mm 보다 작은 초소형 생명체의 생체 신호를 측정하는 동시에 자극을 주는데 성공하였다.

연구 이야기

□ 연구 배경

자연계에 존재하는 다양한 동, 식물의 그리퍼 중 사람의 손은 5개의 손가락을 독립적으로 움직일 수 있어 잡은 대상을 섬세하고 정확하게 다룰 수 있다. 또한 감각 세포의 집중으로 대상의 상태를 느끼고 구분할 수 있다. 이러한 사람 손은 동물과 사람을 구분하는 가장 큰 요소이며 사람이 만물의 영장이 될 수 있는 역할을 하였다.

현재 다양한 분야에서 사람의 손 기능을 모사하기 위한 연구들이 진행되고 있다. 특히 4차 산업혁명 이후 일상생활에서 사람과 교감할 수 있는 로봇 및 의료용 로봇이 많은 관심을 받고 있어 인체 친화적이면서 부드러운 물질 기반 소프트 로봇 연구가 각광 받고 있다.

기존에 개발된 그리퍼는 단단한 물질로 제작되어 잡은 대상에 상처를 주기 쉽고 신호 측정을 위해 다양한 센서를 부착하고 있지만 그 크기가 매우 커져 작은 생명체에 적용하는 데 한계가 있다. 역으로 부드러운 물질을 활용한 그리퍼는 대상을 강하게 고정하거나 무거운 물체를 들어 올리는데 한계가 있다. 생체 내 삽입이 가능한 의료용 그리퍼의 경우 소형화가 요구되지만 소형화된 그리퍼의 정밀한 제어와 센서 및 주변 전자기기와의 결합에 많은 어려움이 있다.

□ 연구 내용

아주대 연구팀은 기존 그리퍼의 한계점을 극복하기 위해 부드러움과 딱딱함을 필요에 따라 조절 가능한 가변강성 형상기억폴리머를 활용하여 사람 손 형상의 소프트 그리퍼를 제작하였고 마이크로미터에서 밀리미터 크기의 작은 생명체를 상처 없이 강하게 고정 및 위치 이동에 성공했다. 또한 소프트 그리퍼 안에 은 나노와이어와 고민감도 크랙 (Crack) 센서를 결합하여 잡은 대상의 생체 신호를 측정하는 동시에 자극을 줄 수 있는 상호 교감형 소프트 그리퍼를 제작하였다.

개발한 소프트 그리퍼 로봇은 3 mm 보다 작은 달팽이 알을 저온에서 상처 없이 잡아 열을 주어 부화 시키는데 성공했다. 또한 달팽이 알의 부화 과정에서 발생하는 미세한 기계적 움직임을 측정하였고 부화 직후 달팽이의 미세 심장 (300~400 마이크로미터) 박동수를 정확히 측정하는데 성공하였다. 이는 마이크로 단위의 미세 장기를 상처 없이 기계적으로 잡아 미세 생체 신호를 성공적으로 측정하는 최초의 사례라고 할 수 있다. 또한 개발한 그리퍼는 자신보다 6400배 무거운 물체를 순간적으로 들어 올릴 수 있는 능력을 보였고, 살아있는 돼지 혈관을 상처 없이 잡아 맥박을 측정하여 그 성능을 증명하였다.

□ 기대 효과

세계적으로 초소형 로봇에 센서를 결합하려는 시도가 많이 진행되고 있지만 대부분 잡은 대상의 반응 신호를 측정 하는데만 그치고 있다. 그러나 본 연구의 그리퍼는 반응 측정 뿐 아니라 잡은 대상에 다양한 자극 신호를 동시에 전달 할 수 있다. 즉 개발된 초소형 그리퍼는 사람 체내에서 건강 진단과 동시에 치료를 주는 초소형 의료형 로봇으로 즉시 활용 가능하다.

그리퍼의 장시간 지속적인 모니터링은 치료 과정에서 생명체의 상태가 개선되는 것을 실시간으로 보여줄 수 있다. 또한 측정된 건강 신호를 인공지능과 결합한다면 미래 건강 상태를 예측하는데 활용할 수 있을 것이다. 향후 추가 연구를 통해 전기적 자극, 약물 전달, 무선 동작 등 다양한 방향으로 확장될 것으로 기대된다.

마지막으로 개발된 그리퍼는 많은 난제들이 쌓여있는 사람의 세포 레벨에서 생명체의 기계적 움직임, 자극 후 반응을 분석할 수 있는 새로운 플랫폼으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 인공수정에서 난자를 정전기력을 이용하여 고정하고 있지만 고정력이 높지 않아 세포 주입 시 실패율을 높이는 하나의 원인으로 작용하고 있다. 본 그리퍼는 세포에 상처 없이 기계적으로 강하게 고정할 수 있는 플랫폼으로 활용될 수 있을 것이라 기대된다.

용 어 설 명

1.  사이언스 로보틱스 (Science Robotics) 誌

○ 로봇 분야 세계최고 권위 학술지(Impact Factor : 23.748)

2. 소프트 그리퍼 (Soft gripper)

○ 기존의 금속 기반 그리퍼(로봇 손)와 달리 부드러운 폴리머로 만들어진 그리퍼를 소프트 그리퍼라고 한다. 소프트 그리퍼는 특유의 부드러운 강성을 이용해 내구성이 약한 물체를 잡을 수 있을 뿐만이 아니라 인간과 밀접한 환경에서 작업할 때 사용자의 안전을 보장할 수 있다.

3. 가변 강성 (Varialbe stiffness)

○ 모든 물체는 변형에 대한 저항정도를 가지고 있는데 이를 강성이라고 한다.

○ 특정 환경 또는 구조적 설계를 통해 물체의 강성을 조절할 수 있는데 이를 가변 강성이라고 한다.

4. 형상기억폴리머 (Shape memory polymer)

○ 폴리우레탄 계열의 폴리머로써 변형을 해도 유리전이온도 이상에서 본래 형상으로 돌아가는 스마트 소재이다.

○ 형상 기억 폴리머는 유리전이온도 아래에서는 높은 강성(1.4 GPa)을 가지고 있지만 유리전이온도 이상에서는 강성(2 MPa)이 낮아지는 가변강성 성질을 지니고 있다.

5. 크렉 기반 스트레인 센서 (Crack-based strain sensor)

○ 2014년에 Nature 저널에 소개된 거미의 감각기관을 모사한 초고감도 스트레인 센서를 말한다 (1 저자: 강대식 교수). 나노 스케일을 가진 작은 크렉들은 틈이 벌어질 때마다 저항 값이 민감하게 변화된다. 이를 통해 크렉 센서는 매우 작은 외력도 감지 할 수 있다.

6. 은 나노선 (Silver nanowire)

○ 은 나노와이어는 단면의 지름이 나노 단위인 은 기반의 극미세선을 말한다.

그 림 설 명

[그림 1] 5 개의 손가락을 가진 초소형 소프트 그리퍼

밀리 스케일의 소프트 그리퍼는 독립적으로 움직일 수 있는 5 개의 손가락을 가지고 있다. 5 개의 손가락은 대상의 크기에 맞게 선택적으로 움직일 수 있고 이를 통해 대상을 안정적으로 잡을 수 있다.

[그림 2]  가변 강성을 가진 소프트 그리퍼

가변 강성(2 MPa ~ 1.4 GPa)을 지닌 소프트 그리퍼는 강성을 조절할 수 있어 터지기 쉬운 연어 알을 손상 없이 잡을 뿐만이 아니라 자신보다 1,200배 무거운 추를 지속적으로 들 수 있다.

[그림 3] 동물 실험을 통한 소프트 그리퍼 센서 성능 검증

연구진은 돼지를 이용한 동물실험을 통해 소프트 그리퍼의 압력 측정 성능을 검증하였다. 소프트 그리퍼는 돼지 경동맥을 잡고 생체 신호를 측정하였으며, 기존에 사용되던 체내 삽입이 가능한 의료용 센서와 동일한 성능을 증명했다.

[그림 4] 소프트 그리퍼를 이용한 달팽이 부화 촉진 및 생체 신호 측정 과정

(A) 상단의 그림은 소프트 그리퍼를 이용한 달팽이 알 부화 환경 조성 및 갓 부화한 달팽이의 심장 박동 측정을 보여준다.

(B) 사용된 달팽이의 알은 지름이 3 mm이며 매우 약한 내구성을 지니고 있다.

(C) 소프트 그리퍼는 달팽이 알을 손상 없이 잡은 후 부화에 필요한 온도 환경 조성을 위해 열을 만들어낸다.

(D) 갓 부화한 달팽이는 여전히 크기가 작으며(3 mm), 내구성이 약하다. 소프트 그리퍼는 달팽이에게 어떤 충격을 주지 않고 안정적으로 잡을 수 있었다.

(E) 달팽이를 잡은 소프트 그리퍼는 달팽이의 심장 박동 (심장 크기: 400 μm ~ 600 μm)을 성공적으로 측정해냈다.ì

연구자 이력사항

<한승용 기계공학과 교수, 교신저자>

1. 인적사항

○ 소 속 : 자연모사연구실, 아주대학교 기계공학과

○ 전 화 : 031-219-2685

2. 학력

○ 2010-2014 박사, 한국과학기술원 기계공학과 박사

○ 2004-2010 학사, 아주대학교 기계공학과 학사

<강대식 기계공학과 교수, 공동 교신저자>

1. 인적사항

○ 소 속 : 자연모사연구실, 아주대학교 기계공학과

○ 전 화 : 031-219-2345

2. 학력

○ 2009-2014 박사, 서울대학교 기계공학과 박사

○ 2002-2007 학사, 서울대학교 기계공학과 학사

<고제성 기계공학과 교수, 공동 교신저자>

1. 인적사항

○ 소 속 : 자연모사연구실, 아주대학교 기계공학과

○ 전 화 : 031-219-2353

2. 학력

○ 2008-2014 박사, 서울대학교 기계공학과 박사

○ 2002-2008 학사, 서울대학교 기계공학과 학사

<노연욱, 자연모사연구실 연구원, 공동 제1저자>

1. 인적사항

○ 소  속 : 자연모사연구실, 아주대학교 기계공학과

○ 전  화 : 02-219-2952

2. 학력

○ 2013 – 2019 학사, 아주대학교 기계공학과

○ 2019 – 현재 박사, 아주대학교 기계공학과

<김민호, 자연모사연구실 연구원, 공동 제1저자>

1. 인적사항

○ 소  속 : 자연모사연구실, 아주대학교 기계공학과

○ 전  화 : 02-219-2952

2. 학력

○ 2013 – 2019  학사, 아주대학교 기계공학과

○ 2019 – 현재  석사, 아주대학교 기계공학과