MIT, 얇은 살아 있는 근육층으로 움직이는 초소형 수영 로봇 개발

수영 로봇이 물속에서 움직이는 데 부피가 큰 모터가 꼭 필요한 것은 아닙니다. MIT 공학자들은 사람 머리카락보다 얇고 정교하게 설계된 살아 있는 근육 세포 한 겹이 작은 로봇을 앞으로 밀어낼 만큼의 힘을 낼 수 있음을 보였습니다. 이 연구는 Advanced Functional Materials에 실렸습니다.

지느러미 두 개, 근육 두 개

이 장치는 길이와 너비가 껌 한 개 정도인 유연한 젤 뼈대를 갖고 있습니다. 젤은 두 개의 지느러미를 이루며, 각각에는 빛에 노출되면 수축하도록 유전적으로 변형된 근육 세포가 입혀져 있습니다. 한쪽 지느러미에 빛을 비추면 그 지느러미가 펄럭이며 로봇을 물속에서 밀어내고, 어느 지느러미에 얼마나 자주 빛을 비추느냐로 속도와 방향을 제어합니다. MIT 기계공학과 부교수인 연구 저자 리투 라만(Ritu Raman)은 “이 로봇에는 서로 독립적인 두 개의 근육이 있다고 생각하면 됩니다”라고 말합니다. “하나에만 빛을 비추면 그 근육만 움직이고, 둘 다 비추면 둘 다 펄럭입니다.”

연구진은 큰 페트리 접시에서 한 실험으로, 광원을 손으로 움직여 로봇을 간단한 수중 미로에서 조종했습니다. 최고 속도에서 로봇은 분당 몸길이 약 네 배를 이동했습니다. 분당 최대 65 몸길이를 갈 수 있는 올림픽 수영 선수에는 한참 못 미치지만, 느긋하게 순항하는 여섯줄아가미상어와는 비슷한 수준입니다. 라만은 “공기 중에서보다 물속에서 움직이려면 훨씬 큰 힘이 필요합니다”라며 “크기를 생각하면 이 로봇은 꽤 힘이 셉니다”라고 말합니다.

얇고 평평한 설계

이 로봇은 살아 있는 근육 조직으로 이곳저곳을 이동하는 매우 얇은 2차원 로봇의 첫 시연으로 소개됩니다. 기존 바이오하이브리드 로봇 대부분은 실험실에서 키운 부피 큰 3차원 골격근 덩어리에 의존하는데, 이를 만들려면 수백만 개의 세포가 필요합니다. 라만은 더 얇은 설계가 만들기에 더 저렴하고 더 효율적으로 움직일 수 있다고 말합니다.

근육에 맞는 토대 찾기

이 설계는 연구실이 지난해 사람의 홍채에서 영감을 받아 만든 인공 근육 원판을 토대로 합니다. 그 원판에서는 얇은 세포층이 부드러운 피브린 젤에 새긴 홈을 따라 자랐습니다. 그 원판은 여러 방향으로 움직였지만 이동 거리는 약 100마이크로미터에 불과했습니다. 라만은 “로봇공학의 관점에서 보면 그 움직임은 아주 작았습니다”라고 말합니다. 연구팀은 수축하는 세포의 힘에 피브린이 빠르게 줄어들 수 있음을 발견했고, 그래서 수영 로봇에는 젤의 세 가지 특성, 즉 화학 조성, 강성, 그리고 홈의 모양과 크기를 조정했습니다.

연구진은 단면이 사각형인 좁은 채널과 바닥이 둥근 더 긴 채널을 비교했는데, 근육 세포는 사각형 홈에서 가장 잘 정렬되었습니다. 정렬된 세포는 함께 수축하는 섬유로 합쳐질 가능성이 더 큽니다. 연구팀은 피브린을 조직공학에서 흔히 쓰이는 젤라틴 메타크릴레이트(GelMA)로 바꾸고 강성이 다른 여러 배합을 시험했습니다. 더 단단한 젤일수록 정렬이 좋고 수축이 강했습니다. 두께 약 0.5밀리미터의 필름이 좋은 균형을 보였는데, 세포 한 겹을 지탱할 만큼 튼튼하면서도 세포가 수축할 때 떨어져 나가지 않을 만큼 가벼웠습니다. 공학자들은 또한 근육을 로봇에 넣기 전에 반복적인 빛 펄스로 “운동”시켰고, 이것이 조직을 강화했습니다.

다음 단계

로봇의 형태는 아직 단순하며, 이번 실험의 목적은 매우 얇은 근육층이 헤엄치고 방향을 틀기에 충분한 힘을 낼 수 있음을 보이는 것이었습니다. 연구팀은 이제 더 빠르게 헤엄치도록 몸체 설계를 다듬을 계획입니다. 라만은 “살아 있는 조직은 부드럽고 주변 환경에 반응하며 스스로 치유할 수 있습니다”라고 짚으며, 언젠가 이런 로봇이 기존 하드웨어로는 너무 약하거나 예측하기 어려운 환경, 예컨대 물속 환경 모니터링 같은 곳에서 섬세한 일을 하는 모습을 상상합니다. 해군연구청(Office of Naval Research)이 일부 자금을 지원했습니다.

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