MERRIC인
조회수 214 좋아요 0 댓글 0
소형 의료 로봇과 소프트 시스템
손동훈 (Donghoon Son)(부산대학교 기계공학부) / d.son at pusan.ac.kr /
1. 본인의 연구에 대해서 대략적인 소개를 부탁드립니다.

저는 소형 의료 로봇과 그에 관련 분야에 대해 연구를 하고 있습니다. 소형 의료 로봇은 기존의 로봇팔 등을 중심으로 제작된 로봇 시스템(예: 다빈치 로봇 등)과는 달리 크기가 훨씬 작아서 몸 안에서 직접 이동하면서 다닐 수 있는 로봇입니다. 몸 안을 탐색하는 탐사선 같은 느낌이라고 할까요? 따라서 수술 등의 몸에 무리가 가는 과정 없이 몸을 안으로부터 치료하는 것이 최종적인 비전입니다. 그러한 예로서 삼킬 수 있은 알약 형태의 캡슐 내시경 로봇을 생각해 볼 수 있습니다.

이 소형 의료 로봇 분야는 기존의 로봇 시스템과는 차별점이 상당히 많습니다. 로봇 자체가 몸 안에서 구동되어야 하므로 자력 등을 활용해서 로봇 팔 없이도 구동할 수 있는 방법, 로봇을 몸 안에서 추적하는 방법, 로봇이 가지는 여러 복잡한 기능을 자그마한 로봇에 넣는 설계법, 그 로봇이 신체 조직과 맞닿았을 시 아프지 않도록 로봇 몸체를 유연하게 설계하는 법, 그리고 로봇 시스템을 제어하는 방법 등이 모두 한꺼번에 고려가 되어야 합니다. 그래서 이 분야는 상당히 ​융·복합적​인 연구를 필요로 합니다. 저희 MSRL 연구실에서는 마그네틱 로봇, 로봇 제어, 소프트 로봇, 컴퓨터 비전 및 머신 러닝 등을 통합적으로 연구하고 이를 소형 의료 로봇에 접목하고 있습니다 (FIG. 1).



2. 2017년 ICRA에서 “생검을 위한 자기작동 소프트 캡슐내시경”으로 Best Paper Award Finalist in Medical Robotics로 선정되신거로 알고 있습니다. 연구에 대한 소개와 현재도 꾸준하게 연구중이신 거로 아는데 현재 어느 정도 수준으로 연구가 진행되었나요?

이 연구를 발표한 것도 벌써 4년 전 이야기네요! 이 연구는 삼킬 수 있는 캡슐 내시경 로봇에 미세바늘 생검법(fine-needle capillary biopsy)을 적용해서 캡슐 내시경 로봇이 위장에서 생검이 가능하도록 한 연구입니다.

(비디오 참조: https://youtu.be/FIPvjPMltAQ).


국내에는 아직 생소할 수도 있는데 캡슐내시경이라고 해서 기존 내시경처럼 마취나 수면이 필요 없이 카메라가 달린 캡슐을 삼키면 몸 안을 비디오로 찍어서 진단이 가능한 도구입니다 (현재 미국에서는 많이 쓰이고 있습니다). 다만 이러한 캡슐내시경들은 구동하기 어렵고 또한 생검 등이 어려운 점이 있었습니다. 그래서 이러한 부분들을 자력 구동과 미세바늘 생검법을 통해서 해결했던 연구였습니다. 물론 이 연구는 그러한 로봇 설계도 중점이거니와, 로봇을 원격으로 움직이게 할 수 있는 전자석 시스템 설계, 로봇 로컬라이제이션과 로봇 제어 등이 중요하게 필요했던 연구입니다.

이 연구는 제 박사과정 동안의 주요 연구로서 ICRA2017에 발표한 내용 이외에도 돼지 위장 생체 외 모델(ex-vivo)에서도 실험에 성공했습니다.

(비디오 참조: https://youtu.be/UcLpMq0jbI8)


제가 독일에 있을 때 병원과의 협력에 있었으나 제가 귀국을 하면서 현재의 연구는 저와 같이 연구를 진행하던 다른 박사과정 학생이 계속 진행을 하고 있습니다. 연구가 더욱 잘 되어서 생체 내부 실험에서 성공하기를 바랍니다.



3. 최근에 진행하고 있는 연구는 어떤 것이 있는지 궁금합니다.

저는 캡슐 내시경 로봇 연구 이후에 다른 연구들도 활발히 진행하고 있습니다. 아래 최근에 진행하고 있는 연구들을 정리해 보았습니다.

1) 뇌에서 무선으로 움직이는 밀리 로봇(밀리미터 사이즈 로봇) 연구

위에 언급한 캡슐 내시경 연구 이후 더 작은 로봇(2mm사이즈)에 대한 연구를 진행했습니다. 로봇을 작게 만들면 위장뿐만이 아니라 뇌, 간 등의 부드러운 생체 조직내에서 움직일 수 있습니다. 이에 저희 연구 팀은 아래 FIG 3에 보이는 것처럼 자력과 로봇 디자인을 활용해서 로봇을 뇌에서 원하는 궤적대로 움직일 수 있는 연구를 진행하였습니다. 특히 자력 시스템의 최적 설계를 통해서 로봇이 자동으로 생체조직 내에서 원하는 공간으로 움직이도록 만들 수 있습니다. 이러한 시스템을 특별한 마그넷 어레이를 통해서 구현하였고 더불어 로봇팔 시스템과 결합하여 밀리 로봇이 생체 내에서 원하는 궤적으로 움직일 수 있도록 하였습니다.

(비디오 참조: https://youtu.be/k7se-IIiTf4)



이 연구는 이번 달 Science Advances에 게제 예정입니다.



2) 기계학습을 활용한 게코 파이버 형상 설계

최근에 대두되고 있는 소프트 일렉트로닉스(몸에 붙일 수 있는 유연한 전자장비 등)에서 중요하게 생각되는 부분이 신체와의 접착 부분입니다. 이에 게코 섬모(Gecko fibers)를 활용하면 통기성, 재 점착성 등 신체 접착에 많은 점이 유리하게 됩니다. 이에 인조 게코 섬모 설계는 기존에는 대부분 자연 모사에서 진행을 하였지만, 최근에는 인공지능을 통해서 설계하는 방법이 대두되고 있습니다. 저는 이에 인공지능을 활용하고 이 분야에서 기존의 시뮬레이션 성능을 실험을 통해서 향상시킴으로써 기존보다 성능이 뛰어난 게코 섬모 형상을 설계하고 제작해서 실험에 성공하였습니다 (FIG 4). 이러한 설계법을 활용해서 이 분야에서도 앞으로도 다양하고 재미난 연구가 있을 것으로 예상됩니다.



3) 소프트 로봇 그립퍼 설계

소프트 로봇 그리퍼는 제가 있던 막스플랑크 연구소에서 그립퍼를 전문으로 연구하시던 송석호 박사님(현재 EPFL 포닥)과 함께 진행하면서 제가 정말 많이 배운 연구입니다. 소프트 시스템을 활용하면 기존에 우리가 알고 있는 빨판과 같은 그립 시스템보다 훨씬 다양한 특징을 보일 수 있습니다. 그립퍼 아래쪽에 멤브레인을 설치하여서 그립퍼보다 작은 물체 (Fig.5 BIII)도 들어 올릴 수 있고 다양한 물체들도 모두 들어 올릴 수 있습니다. 그리고 아주 약한 물체, 잘 망가지는 물체들(Fig. 5 CV, 젤라틴)도 데미지를 주지 않고 들어 올릴 수 있습니다. 이러한 그립퍼는 다양한 물체를 집어 올려야 되는 산업 현장이나 신체 조직 등의 섬세한 물체를 조작할 때 유용하게 쓰일 것입니다.



4. 현재 운영중이신 Multi-Scale Robotics Lab.에 대한 소개를 부탁드립니다. (연구내용, 구성원, 비젼 등).

- 멀티스케일 로보틱스 랩(MSRL, https://sites.google.com/view/msrl)은 전통적인 사이즈의 규격화된 로봇 시스템을 벗어나서 다양한 사이즈의 로봇을 연구하는 연구실입니다. 로봇의 사이즈가 작아짐에 따라서 활용 분야가 상당히 많아집니다. 특히 초소형 로봇은 우리 신체의 시술이나 수술 등에 미래에 아주 유용하게 쓰일 것입니다. MSRL에서는 이러한 초소형 로봇에 대한 설계문제, 구동 방법 문제, 그리고 제어 및 학습 등에 관한 분야를 연구하고 또 이를 의료 로봇 분야에 적용하는 연구를 하고 있습니다.

MSRL은 현재 학부 연구생인 최재호 군, 이상현 군, 도민식 군과 함께 꾸려나가고 있는 규모가 작은 신생 연구실입니다만 벌써 학생들과 재미난 연구를 진행하고 있습니다. 앞으로는 소프트 시스템, 자력 시스템, 여러 분야 등의 ​융·복합적인​ 연구를 통해서 의료 분야 등에 쓰일 수 있는 혁신적인 로봇 기술을 개발하는 것이 목표입니다.


5. 영향을 받은 연구자가 많으실거 같습니다. 어떤연구자 분들의 어떤 영향을 받으셨는지 궁금합니다.

연구를 하면서 많은 분들을 만나고 또 많이 배우게 되는 것 같습니다. 우선 석사 지도교수님이신 서울대학교 기계공학부 김종원 교수님(현 서울대 명예교수)께 많은 영향을 받았습니다. 특히 교수님께서 강조하신 프로페셔널 의식, 삶에 대한 비전, 그리고 공대생으로서 가지는 꿈은 현재까지도 저에게 큰 영향을 미치고 있습니다. 인생에 대해 큰 그림을 생각하게 하는 교수님의 철학은 언제나 제 삶에서 나침반 역할을 해왔습니다.

또한 박사 때의 지도교수님인 Metin Sitti교수님(현 독일 막스플랑크 지능시스템 연구소 디렉터)에게도 큰 영향을 받았습니다. 막스플랑크의 대형 랩을 운영하시면서(현재는 그룹 인원만 70명을 넘어서고 있습니다)도 그 랩 안에서 학생들이 서로 협력을 하게 하고 적절한 재원들을 배치하는 것, 학생들에게 자유를 부여하면서도 각자가 맡은 연구에서 최선을 다하게 만드는 지도 방식은 정말 배울 점이 많은 것 같습니다. 사실 제가 학생인 당시에는 보지 못했던 부분들을 교수님이 뒤에서 정말 잘해오신 것 같고 그러한 덕을 누렸던 것 같습니다.

또한 제가 속했던 막스플랑크 지능시스템 연구소(Max Planck Institute for Intelligent Systems)에는 워낙 뛰어난 동료 연구자들도 많았습니다. 그냥 옆에 있을 때는 그들의 뛰어남을 느끼지 못했지만 다들 모두 현재 유명한 대학교에서 교수를 하고 있고 지금까지도 연락을 주고받으면서 앞으로 재미난 연구를 같이해보자고 다짐하고 있습니다.





6. 연구 활동하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

- 연구하면서 뿌듯했던 점은 제가 했던 연구가 조금이나마 다른 누군가에게 도움이 되었을 때였습니다. 제가 처음 연구를 시작했을 때 여러 연구자들의 논문을 읽으면서 공부를 했고, 그들의 피땀으로 만들어 놓은 이론을 제 영역에 사용해서 연구를 진행했습니다. 그러면서 항상 그들이 만들어 놓은 이론이나 식, 정보들을 유용하게 쓰면서 감사하게 생각하고 있었습니다. 그런데, 언젠가 저의 연구가 다른 누군가의 연구에 쓰여서 활용되는 것을 보았을 때, 그리고 그 방법이 다른 이들이 맞닥뜨린 문제를 푸는 데 도움이 되었을 때 보람을 느꼈습니다.


7. 이 분야로 진학(사업)하려는 후배들에게 조언해 주신다면?

- 이 분야는 아직 국내에는 생소한 분야일 수도 있습니다. 이 분야는 아직 큰 산업체가 많지 않고 대부분의 연구는 학계에서 진행되고 있습니다. 하지만 국제적으로는 이 분야도 저변을 계속해서 넓혀가고 있으며 이 분야를 진행하는 산업체도 더 많아지고 더 활발한 연구가 진행되고 있습니다.

관심이 있다면 이 분야로 진학하는 것도 좋으리라 생각합니다. 전통적인 로봇 분야에서 벗어나서 더 미래 지향적인 로봇 연구를 진행할 수 있습니다. 저 또한 기존의 전통적인 로봇을 배워오다 이 분야를 하게 되면서 더 많은 다른 분야를 배우게 되고, 또 많은 경험을 쌓게 되는 것 같습니다. 제가 처음 이 분야의 연구를 시작했을 때 저의 모습을 생각하면 너무 우물 안의 개구리 같아서 아득합니다. 후배들도 넓은 세상을 더욱 많이 배워보겠다는 생각으로 연구를 진학하시길 바랍니다.


8. 다른 하시고 싶은 이야기들.

- 저는 공동연구에 매우 적극적입니다. 현재 우리 시대의 연구는 융복합이 중점적이라고 생각합니다. 저의 위의 연구와 관련된 분야 또는 확장될 수 있는 분야의 공동연구가 필요하신 분들은 언제든지 연락 부탁드립니다.


* 손동훈 교수의 최근(대표)논문
 
  • D Son*, M Urgulu*, M Sitti, Permanent Magnet Array-driven Navigation of Wireless Millirobots inside Soft Tissues,” Science Advances (in-press, *equal contribution).
  • S Song*, DM Drotlef*, D Son*, A Koivikko, M Sitti, Adaptive Self‐Sealing Suction‐Based Soft Robotic Gripper, Advanced science, 2100641, 2021 (*equal contribution)
  • D Son, V Liimatainen, M Sitti, Machine Learning-Based and Experimentally Validated Optimal Adhesive Fibril Designs Small, 202102867, 2021
  • Magnetically actuated soft capsule endoscope for fine-needle biopsy D Son, H Gilbert, M Sitti Soft robotics 7 (1), 10-21, 2020
  • A simultaneous calibration method for magnetic robot localization and actuation systems D Son, X Dong, M Sitti IEEE Transactions on Robotics 35 (2), 343-352, 2019


 
  • Medical Robots
  • Magnetic Robots
  • Soft Robots
  • Microrobots,
  • Robot Design
인쇄 Facebook Twitter 스크랩

전체댓글 0

[로그인]

댓글 입력란
프로필 이미지
0/500자