KEY POINT

- 바젤 대학 연구팀이 디지털 계획에 따라 치아를 정밀하게 성형하여 크라운 준비 내원 횟수를 줄이는 초소형 구강 로봇 MIR을 개발했다.

- 외부 모터와 유연 구동축 구조를 통해 43x26x28mm 크기를 구현했으며, 센서 없이도 위치 오차 0.2mm 미만과 가해지는 힘 5N 이하의 정밀도를 기록했다.

- 실제 환자 임상 데이터가 없는 프로토타입 단계이므로, 향후 센서·카메라 통합 여부와 합성 모델에서 검증된 하드웨어 성능 지표의 실제 구현 가능성을 확인해야 한다.

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바젤 대학 연구팀의 초소형 구강 로봇 MIR 개발 배경

바젤 대학 생의학 공학부 연구팀이 치아 크라운 준비 과정을 자동화하는 초소형 로봇 MIR(Miniature Intraoral Robot)을 개발했다. 연구팀은 취리히 대학, 베른 대학, 그리고 의료 기기 기업인 Camlog Biotechnologies GmbH와 협력하여 이 시스템을 설계했다. 이번 프로젝트는 스위스 혁신 지원 기관인 Innosuisse의 자금 지원을 통해 수행되었으며, 취리히 대학 치과 센터가 개발 과정에 직접 참여했다. 연구 성과는 2026년 IEEE Transactions on Medical Robotics and Bionics 학술지에 게재되었다.

MIR은 디지털 계획에 따라 치아 재료를 정밀하게 제거하여 크라운 준비를 위한 내원 횟수를 줄이는 것을 목적으로 한다. 기존의 크라운 치료는 충치 제거, 본 뜨기, 임시 크라운 장착, 영구 크라운 장착 순으로 여러 번 방문해야 하는 구조였다. MIR을 도입하면 1차 방문 시 스캔 후 디지털 계획을 수립하고, 로봇이 즉시 치아를 성형함으로써 대기 시간 없이 바로 크라운을 주문하는 워크플로우가 가능해진다. 이는 환자의 시간적 비용을 줄이고 의료진의 체어 타임을 최적화하는 결과로 이어진다.

외부 제어 시스템 기반의 소형화 하드웨어 구조

연구팀은 로봇 본체의 크기를 43x26x28mm의 와인 코르크 수준으로 최소화하여 개방된 구강 내에 편안하게 진입할 수 있도록 설계했다. 이를 위해 모터와 제어 시스템을 로봇 본체 외부로 완전히 분리하여 배치했다. 외부 시스템과 본체는 유연한 구동축(flexible drive shafts), 케이블, 튜브로 연결되어 동력과 제어 신호를 전달한다. 유연 구동축은 굴곡진 경로에서도 회전력을 유지하며 외부 모터의 동력을 내부 드릴까지 전달하는 역할을 수행한다.

케이블은 정밀한 제어 신호를 전달하며, 튜브는 가공 과정에 필요한 유체를 공급한다. 이러한 분리 구조는 구강 내 협소한 공간에서 로봇이 차지하는 부피를 줄여 환자가 느끼는 압박감을 최소화한다. 동시에 무거운 구동부를 외부에 둠으로써 내부 작업 공간을 최대한 확보하고, 소형 본체만으로도 강력한 회전력을 구현하여 치아 재료를 효과적으로 제거할 수 있는 물리적 기반을 마련했다.

정밀 성형을 위한 2단계 드릴링 메커니즘

MIR은 치아의 입체적인 형태를 구현하기 위해 드릴의 크기를 달리하는 2단계 공정으로 치아를 성형한다. 1단계에서 로봇은 넓은 드릴을 사용하여 치아 상단 표면의 재료를 제거하고 전체적인 높이를 조절한다. 넓은 날을 가진 드릴은 상단부를 평탄하게 깎아내어 2단계에서 사용할 정밀 드릴이 진입할 수 있는 충분한 공간을 확보하는 기초 공정을 수행한다.

2단계에서는 1단계보다 더 길고 얇은 드릴을 사용하여 치아의 측면을 정교하게 성형한다. 얇은 드릴은 1단계에서 확보된 공간을 통해 치아의 깊은 곳이나 좁은 측면까지 진입하여 크라운이 정확하게 맞물릴 수 있는 형태로 다듬는다. 드릴의 직경을 줄여 가공 범위를 좁히는 대신 길이를 늘려 구강 내 깊숙한 지점까지 도달하게 설계함으로써, 좁은 공간에서도 회전 반경을 최소화하며 필요한 부위만 정밀하게 제거한다.

센서 없는 프로토타입의 정밀도 및 하중 제어 성능

연구팀은 위치 측정이나 직접 보정을 수행하는 센서가 없는 상태에서 MIR의 위치 오차를 0.2mm 미만으로 기록했다. 이는 실시간 피드백 센서 없이 기계적 유격을 최소화한 설계와 제어 정밀도만으로 의료 현장에서 요구하는 수준의 정밀도를 확보한 결과다. 향후 시스템에 센서가 통합되면 이 오차 범위는 더욱 줄어들 것으로 예상된다.

치아 가공 시 발생하는 하중은 5N(뉴턴) 미만으로 유지되었다. 5N은 0.5L 생수병 하나가 중력으로 누르는 힘과 유사한 수준으로, 민감한 구강 조직의 손상이나 환자의 통증 발생 위험을 낮추는 안전 기준이 된다. 연구팀은 합성 수지로 제작한 치아 모델과 치아 법랑질과 경도가 유사한 세라믹 재질의 모델을 사용하여 이 성능을 검증했다. 서로 다른 강도를 가진 두 재료 모두에서 0.2mm 미만의 위치 오차와 5N 미만의 하중 수치를 일관되게 달성하며 기계적 신뢰성을 확인했다.

실배치를 위한 기술적 과제와 판단 기준

연구팀은 실제 진료 환경 배치를 위해 센서와 카메라를 통합하여 치료 진행 상황을 실시간으로 모니터링하는 기능을 개발 중이다. 이는 환자의 미세한 호흡이나 움직임으로 발생하는 오차를 보정하는 폐루프 제어(Closed-loop control) 시스템을 구현하기 위함이다. 또한 전원 차단과 같은 장애 발생 시, 센서 데이터를 통해 중단 지점을 즉시 인식하고 복구하여 오작동으로 인한 치아 조직 손상을 방지하는 메커니즘을 구축하고 있다.

시스템 작동 시 발생하는 소음 수치를 분석하여 환자의 심리적 거부감을 최소화하는 적합성 평가도 병행하고 있다. 가장 큰 기술적 제약은 로봇의 전체 크기를 유지하면서 센서, 카메라, 소음 저감 부품을 모두 통합하는 고밀도 설계의 구현 여부다. 현재 MIR은 실제 환자 대상의 임상 데이터 없이 합성 수지 및 세라믹 모델로만 검증된 상태다.

따라서 본 시스템의 실배치 가능 여부를 판단하는 핵심 하드웨어 성능 지표는 별도의 직접 측정 센서가 없는 프로토타입 단계에서 확보한 '위치 오차 0.2mm 미만'과 '가해지는 힘 5N 이하'라는 제어 기준을 실제 임상 환경에서도 유지할 수 있는지에 달려 있다.