4.4mm 극소형 플랫폼의 5가지 무선 수술 기능

싱가포르 난양공과대학교(NTU) 연구진이 4.4mm 길이의 씨앗 크기 로봇을 개발하여 무선 자기장만으로 다섯 가지 수술 기능을 수행하는 기술을 구현했다. 이 로봇은 외부에서 가해지는 약한 자기장(Weak magnetic fields)을 통해 제어되며, 신체 내부의 부드럽고 불규칙한 표면을 가로질러 이동하며 정밀한 의료 처치를 수행한다. 로봇이 제공하는 다섯 가지 핵심 기능은 단순 이동, 생체 조직 절개, 약물 방출, 조직 샘플의 파지 및 저장, 그리고 원격 열 발생이다. 단일 기기가 수술에 필요한 여러 도구의 역할을 통합 수행함으로써 의료진은 장비를 교체하는 과정 없이 하나의 로봇으로 복합적인 처치를 진행할 수 있다.

NTU 연구팀은 로봇이 수행하는 각 기능 사이의 전환 속도를 1초 미만으로 단축했다. 로봇은 외부 자기장 제어 신호에 따라 이동 동작에서 절개나 약물 방출 동작으로 즉각적으로 전환하며, 이는 수술 중 발생하는 변수에 실시간으로 대응해야 하는 의료 환경에서 제어 효율을 높인다. 연구진은 이러한 성과를 학술지 Advanced Materials에 게재하며, 마이크로 로봇이 최소 침습 수술을 더 안전하고 정밀하게 만들 수 있는 가능성을 제시했다. 이 로봇은 대형 절개나 부피가 큰 수술 도구 없이도 신체 깊숙한 곳에서 표적 수술을 수행하는 것을 목표로 설계되었다.

영역별 자기 반응 설계와 소재 공학적 접근

NTU 연구진은 로봇의 몸체를 PDMS(폴리디메틸실록산)와 에코플렉스(Ecoflex)라는 실리콘 기반 유연 소재로 제작했다. 이 소재들은 소프트 로봇 공학에서 범용적으로 사용되는 유연한 재질로, 아주 작은 크기의 정밀한 구조물로 성형이 가능하며 생체 내부의 좁은 경로를 통과하기에 적합한 탄성을 가진다. 연구팀은 이 유연 소재 내부에 5마이크로미터(μm) 크기의 자기 미세 입자를 임베딩하여 로봇의 각 부위가 외부 자기장에 반응할 수 있는 물리적 기반을 마련했다.

연구팀은 로봇의 영역별로 자기 반응성을 다르게 설계하여 기존 마이크로 로봇의 고질적인 제약 조건을 해결했다. 기존의 자기 로봇들은 외부 자기장을 가했을 때 장치 전체가 하나의 커다란 자석처럼 동시에 반응하여 특정 도구만 선택적으로 작동시키는 정밀 제어가 불가능했다. NTU 연구진은 로봇의 부위별로 자기 민감도를 다르게 설정함으로써, 동일한 자기장 환경에서도 특정 부분은 고정된 상태를 유지하고 필요한 부분만 형태를 바꾸어 도구를 활성화하는 구조를 구현했다. 이러한 영역별 반응 설계는 4.4mm의 극소형 크기 내에서 다섯 가지 기능을 독립적으로 운용할 수 있게 하는 핵심 기술이다.

중심 자기 모듈의 재프로그래밍 메커니즘

로봇의 제어 중심부에는 자화, 탈자, 재자화가 가능한 자기 모듈이 배치되어 있다. 이 모듈은 외부 자기장의 방향과 세기에 따라 자성을 띠게 하거나(Magnetised), 자성을 없애고(Demagnetised), 다시 다른 방향으로 자성을 설정하는(Remagnetised) 과정을 거친다. 각기 다른 자기 방향 설정은 로봇의 서로 다른 기능을 활성화하는 명령어로 작동하며, 이를 통해 동일한 모바일 로봇이 절개나 파지 같은 서로 다른 수술 동작을 수행하게 된다.

연구진은 이 자기 모듈을 통해 로봇의 물리적 상태를 1초 미만의 속도로 재프로그래밍하는 시스템을 구축했다. 외부의 자기 코일이 전달하는 신호에 따라 중심 모듈의 자성 방향이 바뀌면, 연결된 특정 도구가 즉각적으로 전개되거나 작동하는 방식이다. 이는 물리적인 접촉이나 전기적 스위치 없이 오직 무선 자기장만으로 내부 상태를 변경하는 메커니즘이다. 결과적으로 의료진은 외부 제어 장치만으로 로봇의 기능을 실시간으로 선택하고 전환하며 표적 부위에 최적화된 처치를 수행할 수 있다.

6자유도 이동 스펙과 고체-유연 복합 구조

NTU 연구팀은 기존 마이크로 로봇의 5자유도 한계를 넘어 6자유도(6-DOF) 제어를 구현했다. 일반적인 마이크로 로봇은 3축 이동과 2방향 회전만 가능했으나, 이번 로봇은 자신의 장축을 중심으로 회전하는 롤링(Rolling) 기능을 추가했다. 롤링 기능의 도입으로 로봇은 3차원 공간에서 더 세밀한 위치 조정이 가능해졌으며, 이는 인체 내부의 좁고 불규칙한 공간을 탐색할 때 진입 각도를 정밀하게 수정하며 전진할 수 있는 능력을 제공한다.

로봇의 몸체는 슬라임 형태의 소프트 로봇과 달리 고체이면서 유연한(Solid but flexible) 복합 구조를 채택했다. 유연성만 강조한 기존 로봇들은 외부 압력에 의해 형태가 쉽게 무너져 제어 정밀도가 떨어지거나 회수가 어려운 문제가 있었다. 반면 NTU 로봇은 일정한 형태를 유지하는 고체의 강성과 외부 환경에 맞춰 휠 수 있는 유연성을 동시에 확보하여, 생체 조직의 좁은 틈새를 지날 때도 몸체가 찌그러지지 않고 지지력을 유지한다. 이러한 구조적 안정성은 수술 후 자기장을 이용해 로봇을 외부로 다시 끌어내는 회수 과정에서 파손 위험을 줄이고 안전한 제거를 가능하게 한다.

생체 모델 검증 결과 및 임상 통합 경로

연구팀은 닭 간 조직과 생체 연조직을 모사한 젤라틴 모델을 사용하여 로봇의 5가지 수술 기능을 검증했다. 실험 결과 로봇은 생체 조직 내부에서 작은 칼날을 활성화해 조직을 절개하고, 약물 입자를 방출하며, 조직 샘플을 파지하여 저장하는 동작을 성공적으로 수행했다. 특히 고주파 교번 자기장(High-frequency alternating magnetic field)을 가했을 때 로봇 내부의 자기 물질이 열을 발생시키는 것을 확인했으며, 이는 암세포를 사멸시키는 자기 온열 요법(Magnetic hyperthermia)에 적용 가능한 물리적 근거가 된다.

생체 적합성 테스트를 위해 인간 피부 세포에 로봇 소재를 노출시킨 결과, 99% 이상의 세포가 생존하는 것을 확인하여 소재의 비독성을 입증했다. 연구팀은 향후 실전 배치를 위해 초음파나 X선 같은 영상 기술(Imaging technologies)과 압력·온도를 감지하는 센싱 시스템(Sensing systems)을 로봇과 결합하는 단계를 계획하고 있다. 또한 닭 간이나 젤라틴보다 인간 조직의 물리적 거동을 더 정확하게 재현한 인공 장기 모델을 도입하여, 실제 혈류와 마찰력이 존재하는 환경에서의 제어 알고리즘을 최적화할 예정이다.

Lum 부교수는 외과의와 협력하여 로봇의 가이드, 모니터링, 제어 방식을 실제 임상 워크플로우(Clinical workflows)에 통합하는 방안을 연구 중이다. 최소 침습 수술의 실무 적용 기준은 로봇의 6자유도 제어 성능이 실시간 영상 가이드 시스템의 해상도 및 인공 장기 모델의 물리적 저항 수치와 정밀하게 동기화되는지 여부에 달려 있다.