[첨단 헬로티]

생물처럼 유연한 움직임을 하는 부드러운 기구, 기계를 만드는 것. 이 문제에 대해 옛날부터 많은 기계 메이커, 전기 메이커, 제어 메이커가 매료되어 낭만을 느끼고, 수많은 도전을 다양한 방식으로 지금도 끊임없이 계속하고 있다. 필자도 그 중 한사람이다.

현재 이러한 소프트 로보틱스 영역이 재료과학, 정보과학, 생명과학, 의학 연구원도 끌어들여, 다른 분야가 융합돼 세계의 여러 가지 과학 기술, 학술계에 영향을 미치는 최첨단 분야로 성장해 온 것은 아닐까 하는 큰 흐름을 느낄 수밖에 없게 됐다.

이 글에서는 필자 등이 대응해 온 근세포 중에서도 심근세포에 주목한 바이오 액추에이터 기구의 탄생에서부터, 골격근세포 액추에이터, 곤충 근세포에 의한 바이오 액추에이터, 생명기계 융합 웨트 로보틱스에 대해 소개하고, 이 분야의 위치매김, 앞으로 더욱 발전하기 위해 필수적인 과제, 전개에 대해 다루어 본다.

바이오 액추에이터 탄생

연구의 세계에 입문하게 된 계기는 ‘미세한 기계’, ‘보이지 않는 기계’, ‘마이크로 로봇’에 관심을 가진 것으로부터 시작됐으며, 실제로는 후쿠다 토시오 선생, 아라이 후미히토 선생의 밑에서 마이크로 등반 로봇을 제작하기도 하고, 마이크로 매니퓰레이션을 연구해 마이크로 로봇 연구의 세계에 들어가게 됐다.

그리고 당시 주목받기 시작한 마이크로 TAS(Total Analytical Systems)과 Lab-on-a-Chip의 연구에 몰두했는데, 생물을 취급한다고 하는 의미에서는 지금의 연구와도 관계가 있지만, 어느 쪽인가 하면 실리콘이나 유리 등의 딱딱한 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 기술을 구사하는 방식이었다.

학위를 받은 후에는 스탠포드대학 이학부 화학전공의 Zare 연구소에 박사 연구원으로 들어가 지금까지의 기계공학과는 다른 시점에서 마이크로 TAS, 단일 세포의 마이크로 분석 화학, 레이저 계측에 몰두하는 가운데, 새로운 물질과 분석 방법을 만들어내는 호기심 덩어리와 같은 화학자 집단과의 논의는 보더리스(borderless) 그 자체로, 그 후의 발상 방식에서 화학 에너지로 구동하는 이상적인 자율구동형 마이크로 로봇에 대한 힌트를 많이 제공해 주는 환경에 있었다고 강하게 생각한다.

그 후 귀국해서 카나가와 과학기술아카데미(KAST)에서 마이크로 TAS 개발을 계속했으며, 아직 ‘딱딱한 MEMS’을 다루고 있었다. 어느 날 세포 배양 칩 개발 관계로 도쿄여자의대의 오카노 미츠오 선생, 야마토 마사유키 선생, 시미즈 타츠야 선생의 연구실을 방문할 기회가 있었는데, 거기서 마이크로 칩 내에서 심근경색 등의 검사용으로 배양하고 있던 쥐의 심근세포가 박동하는 모습을 보았다.

심근세포가 주기적으로 수축하는 모습을 보고 ‘이것은 굉장히 작은 부드러운 액추에이터이다. 이것을 사용해 물건을 움직일 수 있다’고 하는 아이디어가 번뜩 떠올랐다. 당시는 화학 분야에서 일을 하고 있었지만, 자신의 백그라운드인 기계인적인 발상으로 움직이는 물건에 잠재적으로 솔직하게 감동한 결과이다. 그래서 KAST 프로젝트 리더인 기타모리 다케히코 선생에게 심근세포를 이용한 마이크로 액추에이터와 마이크로 펌프의 아이디어를 설명하고, 2001년 말부터 2002년 초경에 바이오 액추에이터 프로젝트를 시작했다. 지금 말하는 ‘Organ on a chip’에서 볼 수 있는 의료 진단 및 검사를 위한 심근세포와의 만남이 바이오 액추에이터 발상의 원점이다.

앞에서 말한 MEMS라고 불리는 분야에서는 예를 들면 미세한 모터, 미세한 기계 부품의 제작에는 실리콘이나 후막 레지스트를 이용한 마이크로 머시닝(초LSI에서 축적된 가공 기술에 깊이 방향의 가공을 더한 3차원 미세 가공 기술)이 이용되고 있었다. 필자는 이러한 MEMS의 가공 기술을 이용한 시스템, 마이크로 TAS의 구축에 관계해 왔는데, 이것은 화학이나 생물에 관한 실험 시스템을 집적화해 가는 일이며, 이른바 톱다운 방법이다. 이러한 집적화를 위해서는 액추에이터와 밸브 등의 유체 구동 디바이스의 마이크로화와 집적화가 요구되는데, 지금까지의 마이크로 액추에이터는 유리나 실리콘, 압전 재료 등으로 미세 가공한 것이 많아 이들은 생체와의 적합성이 그다지 좋지 않은데다 에너지를 공급해야 하기 때문에 전원이나 케이블이 별도로 필요하고, 생체계에 다른 영향을 끼칠 것이라는 문제점이 있었다.

이것을 대신하는 보텀업 방법으로서 생각된 것이 단백질과 같은 나노 스케일의 분자 모터(액틴, 미오신 등)를 이용하는 방법이다. 이들은 아데노신삼인산(ATP)의 화학 에너지를 역학적 에너지로 변환하는 고효율의 소자이지만, 당시는 아직 모터 단백질을 집적화하는 방법이 개발되어 있지 않았으며, 취급하는 분자의 집적도가 낮기 때문에 1분자당 발생력이 약하고, 마이크로 공간에서 범용적인 물질 수송이나 유체 구동은 어려웠다.

그래서 필자 등이 새로운 마이크로 구동원으로서 주목한 것이 생체 분자 모터의 집적 소자인 심근세포 등의 근세포이다. 세포 자체가 상당히 고효율의 화학 반응 리액터라는 것을 알게 됐다. 그래서 세포 자체를 마이크로 로봇의 부품으로 하려는 시도를 시작해, 2004년 심근세포를 부품으로 한 바이오 마이크로 액추에이터인 마이크로 펌프의 시제작 및 검증 실험에 성공했다.

심근세포는 외부에서 특별한 자극이 없어도 주기적인 수축을 계속한다. 그래서 이것을 다이어프램의 구동에 이용한 펌프를 만들었다. 심근세포 시트를 만들어 이것에 배양액만 주면 펌핑을 계속해 주는, 정말로 지금까지의 기계와는 전혀 다른 설계 사상이다. 화학적 에너지에서 기계적 에너지를 계속 꺼낼 수 있게 된다.

세포로부터 만드는 액추에이터

실제로 궁극적인 목표는 개미와 같은 작은 생명체에 가까운 초소형 자율구동형 마이크로 로봇을 만드는 것인데, 지금까지의 곤충 로봇은 보통 케이블이 연결되어 외부에서 전기가 공급되고 있던가, 빛이나 소리, 진동으로 구동되고 있었다. 그 대신에 배지의 화학 에너지를 사용한 것을 만들면, 자율구동을 실현할 수 있다. 당시부터 마이크로 로봇의 용도로 새로운 소재를 사용한, 가볍고 부드러운 새로운 원리로 움직이는 소프트 액추에이터의 개발이 요구되고 있었다.

여러 가지 대응이 이루어지고 있는 가운데, 공학 분야에서 개발되어 있는 ‘딱딱한’ 구동원과는 다른 ‘부드러운’ 생체계의 소재가 소프트 액추에이터로서 각광받기 시작했다. 세포로부터 만드는 바이오 액추에이터도 비할 데 없는 소재로서, 다른 액추에이터에는 없는 자가 회복, 자기 복제, 자기 조직화 등의 생체 유래 재료로서의 분화, 재생, 성장을 연상시키는 특징이 있다.

세포 레벨, 조직 레벨의 생체 재료를 직접 사용해 디바이스를 만들려고 하는 움직임은 세계적으로도 서서히 시작되고 있었다. 예를 들면, Montemagno 등은 개구리의 근육과 심근세포를 사용한 Muscle MEMS라는 개념을 제창했다. MIT에서도 Herr, Dennis 등의 그룹이 개구리 다리의 근육을 사용해 로봇을 움직이고 있었다. Herr 등은 의수와 의족에 이러한 wet technology를 응용 전개하고 있다. 이 밖에도 최근 여러 가지 그룹이 세포에 주목하기 시작해 경쟁이 격화되고 있다. 그 가운데서도 필자 그룹의 특징은 곤충 근세포의 로버스트성에 주목하고 있는 점이다.

필자 등이 주목한 소재는 생물의 근세포로, 크게 나누면 1) 곤충의 근세포와 2) 포유류(쥐 등)의 심근세포나 골격근세포이다. 물론, 이들을 생물의 개체에서 꺼내는 것만으로는 마이크로 액추에이터로서는 디자인이 한정되므로 생체 외에서 조직 배양해 2차원 시트 모양이나 3차원 형상으로 재구축하거나, 근력 향상의 전처리나 역학 특성의 성능 평가를 해야 한다.

이 곤충 근세포에 주목한 것은 농공대로 옮기기 몇 달 전, 우연히 직장이었던 KAST에서 농학부의 이와부치 키쿠오 교수의 곤충 세포에 관한 세미나가 있었던 것이 계기였다. 포유류의 세포는 37℃에서 pH 관리된 환경에서 배양할 필요가 있지만, 곤충 세포라는 것은 세심한 관리가 필요하지 않으며, 게다가 생명력이 강하고 터프한 것이 재미있다고 생각했다. 당시 바이오 액추에이터로 사용하고 있던 쥐의 심근세포로는 이렇게는 할 수 없었다. 곤충 근세포를 마이크로 로봇 액추에이터로서 사용하기에 적합하다고 직감했다. 그래서 농공대로 옮긴 후, 곤충의 특이한 ‘심장’을 사용하자고 하는 아이디어가 나와 이와부치 선생으로부터 콩은무늬밤나방의 유충을 제공받아 ‘농공 융합’의 공동 프로젝트가 시작했다.

곤충에는 척추동물에 있는 심장과 혈관은 없고, 체액에 직접 장기가 담가져 있다. 이 체액을 몸에 순환시키는 것이 배맥관으로, 심장과 동맥을 합친 기관이다. 실험 중인 콩은무늬밤나방이라는 곤충의 배맥관은 전체길이가 약 4cm이고, ‘자율적으로 박동하는 튜브’이다. 

‘자율적으로 수축한다’고 하는 점이 특징으로, 외부 전원을 공급할 필요가 없고 마음대로 움직여 주기 때문에 기존에 없는 획기적인 액추에이터의 후보가 되는 것이다. 이러한 근세포의 에너지원은 배양액 중의 글루코스 대사에 의한 화학 에너지만으로 충분하다. 이 바이오 액추에이터를 사용할 때에는 배양액에 담가 두면 된다. 배양액도 3개월은 교체할 필요가 없으므로 다른 전력원이 필요한 마이크로 액추에이터에 비하면 놀라운 에너지 효율이다. 배양 조건도 쥐와 비교하면 간편한 편이었다.

배맥관의 세포 배양은 일단 성공했다. 하지만 그대로는 마이크로 액추에이터가 되지 않는다. 곤충 세포를 시트화해 세포를 조직화해야 한다. 시트 모양으로 하면 어떤 크기로도 형상으로도 만들 수 있다. 그래서 도쿄여자의과대학 그룹과 공동으로 곤충의 근세포를 시트 모양으로 박리할 수 있는 온도응답성 고분자가 수식된 배양접시를 제작, 세포 시트 공학의 노하우를 활용했다. 바이오 액추에이터의 개발에는 다양한 학문 분야의 협력이 필수적이다. 이렇게 해서 곤충 근세포 시트와 곤충의 근세포를 동력원으로 하는 마이크로 로봇을 만들게 됐다.

앞에서 말했듯이 심근세포는 주기적인 수축을 반복한다. 지금까지 심근세포의 주기적인 수축 운동기구를 활용하는 것을 소개해 왔다. 심근세포는 자율적으로 박동하며 외부에서 전기 에너지를 줄 필요도 없고, 또한 온도에 따라 박동수도 변한다는 특성 등 우수한 장점이 많다. 그러나 아쉽게도 이러한 움직임은 모두 심근세포의 자발적인 구동에 달려 있다. 그대로는 심근세포의 거동은 외부에서 컨트롤할 수 없다. 움직이거나 정지하거나 하는 제어를 하는 것이 다음의 과제였다. 그렇기 때문에 하나의 방법으로서 유전자 조작하면 빛에 의해 발화와 수축을 컨트롤할 수 있는 근신경세포를 사용해 근육의 움직임을 제어하는 것을 시도했다. 이 연구에는 유전자가 해명되어 있는 초파리의 근육을 사용했다. 그 유충과 근세포에 특정 색깔 파장의 빛을 쐬면 생명 활동을 유지하면서 움직임을 멈추거나 반대로 움직이거나 할 수 있다. 초파리의 배맥관 조직을 튜브 모양의 연동 펌프로 제어하는 ​​것에 성공했다.

또한, 대량의 바이오 액추에이터를 심근세포에서 양산하려고 해도 심근세포는 분열할 수 없기 때문에 재료가 되는 세포의 공급 문제가 있었다. 세포주로서 확립되어 있는 심근세포라면 몇 개는 확보할 수 있지만, 자발적으로 박동하지 않기 때문에 사용할 수 없다. 그래서 안정적으로 대량 배양할 수 있는 마우스 근아세포 C2C12도 바이오 액추에이터의 후보에 올리고, 골격근 배양 세포에 의한 바이오 액추에이터의 제작을 시도했다.

일반적으로 배양 조건에 따라 근관세포로 융합․분화해 신축 기능을 획득하는 것으로 알려져 있지만, 실험에서는 분화된 근관세포에 전압 50V, 펄스 폭 30ms의 전기 자극을 준 결과 근관세포가 수축했다. 또한, 다양한 주파수의 전기 펄스 자극을 주어 주파수 응답성도 평가했다. 그 결과, 5Hz에서 불완전 강축이 일어나고, 10Hz에서는 완전 강축이 일어났다. 생체 운동에서는 강축이 이용되고, 보다 낮은 주파수에서 일어나는 단수축에 비해 큰 힘을 발생하는 것으로 알려져 있다. 주파수 값을 선택하고 발생력의 강약을 컨트롤함으로써 액추에이터의 용도를 구분해 사용할 수 있는 기구이다. 근육세포 내에서는 막전위가 약 60mV 상승하면, 최대 수축장력에 도달하므로 세포 내에 전극을 삽입하거나 신경세포와 접합시켜 그 신경세포를 자극해 더 낮은 전압으로 수축시키는 것이 가능해진다. 저전압 구동이 실현되면, 양산할 수 있는 바이오 액추에이터로서 의료와 노화(안티에이징)에 본격적인 공헌을 기대할 수 있는 실용화의 길은 훨씬 가까워진다. 미래적으로는 신경세포의 신호를 사용해 복잡한 동작을 시킬 수 있을 것이다.

그 외에 필자 등은 근전 신호를 사용해 골격근으로 움직이는 마이크로 핸드를 마스터 슬레이브 제어하는 것과 광자극에 의해 골격근세포를 제어하는 것에 성공했다.

생물-무생물 계면 간을 접속하는 구조기구 설계와 기능 창발

필자 등은 소프트&웨트 로봇 영역의 발전을 개관함으로써 그림 1에 나타냈듯이 인공적으로 제조된 기계와 자연계에 존재하는 생명체를 융합시킨 부드러운 시스템을 실현하기 위한 설계적 어프로치를 구상, 연구를 하고 있다.

그림 1. 소프트&웨트 로보틱스의 발상에 기초한, 생물–무생물을 연결하는 기구 부품의 설계적 어프로치

인공적으로 제조된 기계는 기존의 물리․화학․공학을 활용해 자연계에는 존재하지 않는 기능을 실현할 수 있다. 한편으로 자연계에 존재하는 생명체는 인공적․무생물적인 기계로는 실현할 수 없는 기능을 발현하고 있을 뿐만 아니라, 그 자체의 존재에 가치가 있는 경우도 많다. 이들의 좋은 점을 조합하는 발상이 생물–무생물의 융합인데, 원래의 설계 사상․원리의 차이 때문에 그 실현은 쉽지 않다.

목표로 하고 있는 생명기계 융합 웨트 로보틱스에 기초하는 부드러운 기계란 ‘스스로 움직인다’, ‘스스로 만든다’, ‘스스로 탐색한다’의 3가지가 구현되는 생체에 가까운 머신이다. ‘스스로 움직인다’는 화학 에너지로 구동되는 것. ‘스스로 만든다’는 자기 조직화, 자가 회복이 가능한 것. 그리고 ‘스스로 탐색한다’는 동적 트랜스듀서를 말한다. 그림 1에서는 이 갭을 메우기 위한 설계 방침을 나타내고 있다. 기계 부품과 생명체 사이에 ‘생물–무생물 접속용 부품’을 배치하고, 이 부품 중에서 계층적으로 생물에서부터 무생물을 접속해 간다. 부품 중에는 그 기계 접속 측에는 무생물적인 접속층, 생체 측에는 생물적인 접속층을 구성하고, 이들의 접속층을 다시 접속하는 계면층 등으로 크게 3층 구조를 생각한다.

‘무생물 접속층’은 무생물 서브시스템과 전기적․기계적 접속의 기능을 실현하지만, 주로 기존의 설계 기술을 원용할 수 있다. 새롭게 탑재해야 하는 기능은 계면층과의 접속을 가능하게 하는 인터페이스의 구조이며, 주로 치수적인 면에서 MEMS 기술의 원용이 생각된다.

‘생물 접속층’에는 2가지의 새로운 기능 실현이 요구된다. 첫 번째는 생체 측과 생물 접속층을 생명공학적으로 접속하는 기능이다. 원래의 생체 측에는 포함되지 않으며, 그렇지만 그 생체에서의 물질 수송 등을 이용해 무리 없이 접속할 수 있는 새로운 생체조직층과 같은 것이 생각된다. 실제 생체 중에도 다른 장기 간을 접속하는 구조, 연골이나 접착 단백질 등이 존재하기 때문에 이들 구조로부터 배울 수 있다.

또 다른 하나의 기능은 계면층과의 접속이다(그림 2). 이들 기능도 생체적으로 만들어지는 것이 생각되며, 결과적으로 생물 접속층은 세포 조직의 층 구조와 같은 것이 될 것이다. 예를 들면 생체 내의 혈관은 내피․기저막․평활근․외막 등의 다층 구조를 취하고 있으며, 여기에서 연상한 것이기도 하다. 또한, 이 부품은 의수나 의족과의 연결을 기존의 공학적 방법으로, 인체와의 연결에 생물적 방법(동종 세포끼리 접착해 조직 구조를 구성하는 기능)을 이용한다. 이 부품은 생물과 무생물이 융합하고 있으며, in vitro적으로 제조하는 것이 가능하다. 이론적으로는 가능한 발상의 축적으로, 재생의료적 방법보다 현실적이라고 생각된다.

그림 2. 생물-무생물 계면에 존재하는 계측과 제어 과제

최종적인 생물-무생물 간의 접속, 기구 설계의 어려움은 ‘계면층’으로 집약된다. 기계 측은 인공적인 설계이기 때문에 일종의 기하학적 공간 배치가 실현되는 것이 바람직하고, MEMS적인 기술이 이용된다. 생체 측은 기하학적이 아니라, 텍스처를 구성하는 것이 필요하기 때문에 어떤 자기 조직화적인 방법이 필요하다.

무생물 접속층․계면층․생물 접속층의 3층으로 이루어지는 생물–무생물 접속용 부품은 생체 측의 부담을 생각해 생체와는 분리된 in vitro 환경에서 제조되고, 최종적인 생체와의 접속 시에만 in vivo적인 작업이 이루어진다.

이상과 같이 생물-무생물을 융합해 소프트 로봇, 소프트 액추에이터와 웨어러블, 생체 매립 디바이스의 설계 지식을 얻는 것을 고려하면, 그 계면에서 생체 측의 상태를 모니터링하는 기술의 중요성과 요구되는 사양을 다시 생각하게 된다.

결론

2006년 일본로봇학회에서 강연을 한 MIT의 아사다 하루히코 교수는 강연 중에 앞으로는 웨트 로보틱스와 드라이 로보틱스의 융합이 로보틱스의 새로운 기술이 될 것이라고 말했다.

드라이 로보틱스란 현재 주류인 딱딱한 부품으로 만들어진 로봇을 말하며, 웨트 로보틱스란 생체를 소재로 한 바이오 머신을 말한다. Soft Robotics라고 하는 키워드가 널리 분야 전체를 커버하고 있지만, 부드러울 뿐만 아니라 Wet Robotics의 시점도 생체와 기계를 접속하는 새로운 기구 설계를 생각하는데 있어 중요한 과제가 많이 있으며 새로운 전개를 기대할 수 있다.

앞으로 다양한 타 분야와 융합함으로써 꿈의 차세대 마이크로 나노 로봇이나 의료 디바이스가 탄생해, 새로운 연구 분야로서 이 영역이 점점 더 발전해 가기를 바라고 있다.

모리시마 케이스케, 오사카대학 대학원공학연구과 기계공학전공