한국과학기술정보연구원 'MIRIAN' 글로벌동향브리핑
[한국과학기술정보연구원 MIRIAN_글로벌동향브리핑_2015.05.22]
구부러지고, 늘어나고, 어수선한 환경을 헤치고 나갈 수 있는 로봇 팔이 이탈리아의 연구진에 의하여 만들어졌다.
문어가 가진 8개의 다리에서 영감을 얻은 이 로봇 팔은 외과 의사들이 신체 내부의 구석지고 좁은 지역에 쉽게 접근하고, 일단 접근하면 부드러운 장기에 해를 가하지 않고 조작할 수 있도록 특수하게 설계된 것이다.
이 장치에서 로봇 팔의 일부분이 동작하는 동안에 로봇 팔의 다른 부분은 장기를 조작하는데 사용되어 수술 도구의 수를 줄일 수 있으며, 이를 통하여 수술 작업에 필요로 하는 진입 절개부(entry incision)의 수를 줄일 것으로 믿어지고 있다.
생체 모방과 관련된 한 국제학술지(학술지명: Bioinspiration and Biomimetics)에 2015년 5월 13일자로 발표된 이 장치는 구부러지고 유연한 수술도구에서 딱딱하고 경직된 수술도구로 빠르게 전환할 수 있는 능력을 가지므로 전통적인 수술 도구에 비하여 여러 가지 중요한 장점을 가진다.
이 로봇 팔은 경직된 골격 지지 구조를 가지지 않아서 임의의 지점에서 임의의 방향으로 비틀고 구부리고 길이를 변화시켜서 주위 환경에 쉽게 적용할 수 있는 문어의 매우 유연한 8개의 다리로부터 영감을 얻었다.
문어는 자신의 다리가 가지는 강성을 가변시킬 수 있으며, 순간적으로 유연한 다리를 경직된 부분으로 변환하여 물체를 이용하거나 상호작용할 수 있다.
이탈리아의 산타나 공대(Sant`Anna School of Advanced Studies) 연구자들은 로봇 팔이 문어 다리와 똑같은 효과를 가지도록 2개의 상호 연결된 동일 모듈로부터 만들어진 장치를 만들었다.
각각의 모듈은 모듈 내부에 동일 간격을 가지는 3개의 원통형 챔버를 팽창시켜서 이동하도록 만들어질 수 있다. 3개의 챔버에 대한 팽창을 변경하거나 조합하여 모듈은 다양한 방향으로 구부러지거나 늘어나도록 만들어질 수 있다.
그리고 두 모듈의 강성은 모듈 내부의 유연한 막이 과립형 매체로 채워지는 ‘과립 막힘 현상(granular jamming phenomenon)’을 이용하여 제어될 수 있다. 이 막에 진공이 인가될 때 밀도가 증가하고 막 전체가 딱딱하게 된다.
“수술의 대상인 인간의 몸은 매우 도전적이며 구조화되어 있지 않은 환경을 가진다. 반면에 문어가 가진 능력은 전통적인 수술 도구와 대비하여 여러 가지 장점을 제공할 수 있다”고 이 연구의 주 저자인 톰마소 란자니(Tommaso Ranzani) 박사가 말했다.
“일반적으로 문어는 경직된 구조를 가지지 않아서 환경에 맞추어 자신의 몸을 변형시킬 수 있다. 딱딱한 골격지지 구조가 없으며 8개의 매우 유연하고 긴 문어 다리를 이용하여 임의의 지점에서 어느 방향으로나 비틀고 구부리고 길이를 변화시킬 수 있다”고 톰마소 란자니 박사가 전했다.
이 연구에서 연구자들은 개발한 로봇 팔에 대하여 수많은 특성 시험을 수행하여 최대 255도의 각도로 구부리고, 초기 길이와 비교하여 최대 62퍼센트까지 늘러날 수 있다는 것을 보였다. 경직화 메커니즘은 60퍼센트에서 최대 200퍼센트까지 강성을 증가시킬 수 있었다.
로봇 팔이 수술 작업을 진행하면서 장기를 조작할 수 있는 능력이 물로 채워진 풍선으로 표현되는 장기가 이용되는 시뮬레이션 시나리오에서 성공적으로 시연되었다.
“전통적인 수술 작업은 비록 하나의 수술절차라도 이를 수행하기 위하여 종종 파지 장치, 견인 장치, 비전 시스템, 해부 기구 등과 같은 여러 특수 기구들을 사용할 필요가 있다”고 톰마소 란자니 박사가 설명하였다.
“우리가 개발한 로봇 팔은 신체 내부의 구석진 영역에 접근하고 안전하게 장기를 지지하는 것뿐만 아니라, 이처럼 수술에 필요한 작업 모두를 수행할 수 있는 수술 도구를 만드는 첫걸음이 될 것이라고 우리 연구팀은 믿고 있다”고 톰마소 란자니 박사가 덧붙였다.
[관련 논문의 서지 정보]
T Ranzani, G Gerboni, M Cianchetti and A Menciassi, "A bioinspired soft manipulator for minimally invasive surgery," Bioinspiration & Biomimetics, Volume 10, Number 3, PUBLISHED 13 May 2015, doi:10.1088/1748-3190/10/3/035008