[과학TALK] 혈관 돌아다니면서 질병 퇴치할 수 있는 초소형 4족 로봇이 온다

미국 코넬대, 0.1㎜ 미만 크기 구현… 네이처 발표
기존 반도체 공정 활용, 웨이퍼 1개당 100만대 생산
빛을 흡수 동력으로 활용… 초소형 로봇군단 등장 가능
씨넷 "안전성 검사 등 난제 남아… 실용화는 수십년 후"

마이크로봇의 실제 작동 모습./씨넷(Cnet)
전체 크기가 0.1밀리미터(㎜)도 안 되는 4족보행 로봇이 개발됐다. 상용화되면 주사 방식으로 몸속 혈관과 세포로 들어가 질병에 맞서싸우는 ‘로봇 군단’이 탄생할 것으로 기대된다.

미국 코넬대 연구진은 기존 실리콘 반도체 공정으로 만들 수 있고 작은 전기 신호에 반응하는 마이크로미터(μm·1000분의 1mm) 규모의 작동기(actuator) 시스템을 탑재한 ‘마이크로봇’을 만들었다고 지난 26일(현지시각) 네이처에 발표했다.

이날 외신 ‘씨넷(Cnet)’과 ‘디자인 엔지니어링(Design engineering)’에 따르면 마이크로봇은 짚신벌레와 비슷한 가로, 세로, 두께 각각 40μm, 40~70μm, 5μm에 불과한 크기를 가졌다. 사람 세포 중 가장 큰 세포인 난자(150μm)보다 작은 셈이다. 이 로봇은 빛을 전기로 바꿔주는 광전변환 실리콘 회로를 등에 달고 있다. 외부에서 레이저를 쏘면 등 회로가 빛을 흡수해 네 다리를 움직인다.

마이크로봇과 짚신벌레 크기 비교./코넬대
쉽게 소형화가 가능한 몸체(반도체 회로)와 달리 이에 대응하는 네 다리를 작게 만들고 움직이도록 하는 건 그간 어려운 일이었다. 연구진은 반도체 공정을 활용해 백금과 타이타늄 소재로 이뤄진 다리(작동기)를 제작했다. 다리는 원자 100개를 나열한 수준의 두께를 가진다. 레이저를 받으면 다리를 이루는 백금과 타이타늄이 근육처럼 수축·이완해 몸체가 앞으로 나아가도록 한다.

마이크로봇은 값싸게 대량생산이 가능할 전망이다. 연구진에 따르면 반도체 공정에서 널리 쓰이는 4인치(10㎝) 크기의 실리콘 웨이퍼 하나당 마이크로봇 100만대를 생산할 수 있다. 각 로봇은 200마이크로볼트(μV)와 10나노와트(nW)의 낮은 전력만 소모한다. 기존 반도체 공정을 활용하는 만큼 한대당 생산비용 역시 "한푼(a penny)도 안 될 것"이라고 연구진은 말했다.

연구진은 마이크로봇 여러 대를 주사기에 넣어 몸속에 주입할 수 있다는 것도 확인했다. 아직은 동작 속도가 느리고 주변 환경과 자극에 반응하는 기능이 없어 활용이 제한적이지만, 향후 특정 작업 수행을 위한 프로그래밍 등을 추가해 ‘마이크로봇 군단’이 몸속에 들어가 암과 같은 질병에 맞서싸울 수 있다는 것이다. 연구진은 추가 연구를 통해 마이크로봇의 능력이 "빠르게 진화할 것"이라고 내다봤다.

앨런 브룩·마이클 스트라노 매사추세츠공대(MIT) 연구원은 "동력원을 직접 탑재하고 있지 않았고 기능이 원격으로 제어되기 때문에 엄밀히는 마리오네트(인형극에 쓰이는 인형)에 가깝다"고 지적하면서도 "향후 자동 로봇 개발을 위한 초석을 제공했다는 점에서 의미가 있다"고 평가했다.

마이크로봇 자체의 성능 개선은 빠르게 이뤄지고 있지만 실제 의료현장에서 활용되기까지는 시일이 더 걸릴 것이라는 전망도 나온다. 체내에 투입하는 만큼 엄격한 안전성 검사와 임상실험을 거쳐야 하기 때문이다. 씨넷은 "마이크로봇이 활용될 미래는 수년 또는 수십년 후가 될 수 있다"고 했다.

금속유기구조체(MOFs)로 만든 나선 모양의 생체 마이크로봇 ‘모프봇(MOFBOT)’./나노월크(Nanowerk)
학계에서는 또다른 형태의 마이크로봇도 개발 중이다. 지난해 5월 스위스 취리히연방공대 연구진은 수십μm 크기의 나선 모양 로봇 ‘모프봇(MOFBOT)’를 개발하고 있다고 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 발표했다. 이 로봇은 격자구조로 된 다공성 물질 ‘금속유기구조체(MOFs)’를 소재로 만들어져 약물을 흡착해 몸속 표적까지 전달하는 데 뛰어날 것으로 기대받고 있다.

‘분자기계’라 불리는, 더 작은 로봇도 연구되고 있다. 이 기계의 부품들은 분자 단 몇개로 이뤄졌다. 전체 크기는 나노미터 수준이다. 베르나르트 페링하 네덜란드 흐로닝언대 교수는 ‘분자 자동차’를 구현해 지난 2016년 노벨화학상을 받은 바 있다. 다만 아직까지는 이같이 작은 기계를 작동시킬 동력이 마땅히 제시되지 않은 상황이다.

분자기계의 일종인 ‘분자 자동차’. 2016년 노벨화학상을 받은 베르나르트 페링하 네덜란드 흐로닝언대 교수가 만들었다./스웨덴 왕립과학원

[김윤수 기자 [email protected]]