생체조직과 무기물의 결합으로 전기없이 움직일 수 있는 바이오 하이브리드 로봇(이하 바이오 로봇)을 국내 연구진과 해외 연구진이 공동연구를 통해 세계 최초로 개발했다.

이번 연구는 서강-하버드 질병 바이오물리 연구센터의 국제 공동연구진(서강대 최정우 교수 - 하버드대 케빈 키트 파커 교수와 박성진 교수 연구팀)이 수행하였으며, 연구 결과는 국제적으로 권위 있는 과학 학술지 사이언스(Science)지에 7월 8일자 표지 논문으로 게재됐다.

바이오 하이브리드 로봇 : 세포, 조직 등으로 이루어진 생체물질 부분과 무기물로 구성된 기계적인 부분이 결합된 로봇이다.

최근 인간을 포함한 동물이나 물고기, 곤충 등의 기본구조 또는 메커니즘 등을 모방하여 생물체의 조직이나 근육처럼 부드럽고 유연하면서도 충분한 강도를 가지는 물질(Soft material)과 이를 제어하는 기술을 개발하는 생체모방공학(Biomimetics) 분야가 주목받고 있다.

특히, 생체모방로봇의 개발에 있어서 가장 중요한 요소는 생체모사 디자인을 정교하게 제작하고 인공적인 시스템으로 생명체의 메커니즘을 구현하여 로봇의 작동 효율을 높이는 것이라고 할 수 있다.

실제로 전기활성고분자나 형상기억합금, 가압유체 등이 실제 생명체와 생체모방로봇의 간극을 줄이는 물질로 이용되고 있으나 아직까지 신체 내 근육 운동의 정교한 모사에는 한계를 보이고 있고, 전기장이나 광학 자극에 반응할 수 있는 바이오센서(Biosensor)와 바이오엑추에이터(Bioactuator)기술이 생체모방로봇 제작에 유용한 기술로 이용가능할 것으로 보여지고 있다.

더불어 유전공학 기술(Genetic engineering)과 조직공학 기술(Tissue engineering)의 발전은 전기적, 광학적 자극에 대한 반응을 보다 오랜 시간동안 넓은 공간 범위에서 정교하게 조절하여 바이오센서(Biosensor)와 바이오엑추에이터(Bioactuator)기술의 기여도를 높일 수 있을 것으로 기대된다.

고분자 탄성 중합체(polydimethylsiloxane, PDMS)와 쥐의 심근세포를 이용하여 가오리의 생체 구조를 모사한 생체 모방 바이오 로봇 가오리를 제작하였으며, 빛의 자극에 따라 생체 모방 로봇 가오리의 이동을 제어할 수 있음을 밝혀냈다.

고분자 탄성 중합체로 구성된 몸체에 금을 증착해서 뼈대를 구성하고 그 뼈대에 심근세포를 배양하여 바이오 로봇의 근육조직을 만들었으며, 생체 모방 로봇 가오리에 배양된 근육 구조가 실제 가오리의 근육 구조와 일치함을 확인했다.

생체 모방 바이오 로봇 가오리를 구성하는 심근세포는 광감성 이온 채널 단백질 (ChR2)을 발현하도록 유전자 조작이 되어있어 바이오 로봇 가오리 날개가 외부 광 자극에 의해 순차적으로 수축-이완 운동을 하도록 하며, 수축-이완 운동의 속도와 정밀함은 고분자 탄성 중합체 몸체의 주름진 정도를 조절하여 제어할 수 있다.

생체 모방 바이오 로봇은 실제 가오리의 운동과 유사한 운동을 보이며최대 2.5mm/sec의 속도로 움직인다는 것을 양 날개의 수축-이완 운동의 동력학적, 유체역학적 분석을 통해 수 있음을 확인했다.

또한 생체 모방 바이오 로봇 가오리의 양 날개에 가하는 광 자극의 빈도를 조절하여 각 날개의 수축-이완 운동을 개별적으로 조절함으로써 로봇 가오리의 이동뿐만 아니라 방향전환도 가능함을 확인했다.

이번연구결과는 심근세포를 이용하여 실제 가오리와 유사한 근육 구조뿐만 아니라 운동 양상까지 모사한 생체 모방 바이오 로봇 가오리에 대한 세계 최초의 연구 보고이며, 세계 최고 권위의 학술지인‘Science'에 발표했다.

이번 연구로 향후 세포와 기계로 결합된 바이오 로봇 개발에 기여할 것이며, 광유전 기술을 이용한 질병진단 기능의 바이오 센서 개발에도 기여할 것으로 기대된다.

또한 동물의 근육 구조 모사 및 외부 광 자극을 통한 동작 재현을 통해서 외부 자극에 대한 적절한 반응을 보이는‘인공 동물 (Artificial animal)’의 개념도 새롭게 제시할 수 있을 것으로 보인다.