1959년 노벨 물리학상 수상자인 리처드 파인만(Richard Feynman)은 캘리포니아 공과대학(California Institute of Technology)에서 "바닥에는 충분한 공간이 있습니다"라는 제목의 연설을 하면서 처음으로 신체 내부에 마이크로 로봇이 있을 가능성을 상상했습니다.
파인만의 추측에 따르면 이런 종류의 마이크로 로봇은 미세전자기계시스템(MEMS)으로 구동되며 체내에 들어가서 수술을 할 수 있다. 당시 파인만은 "외과의사를 삼킬 수 있다면 수많은 복잡한 수술도 매우 흥미롭고 간단해질 수 있다"고 말했다.
아마도 파인만의 영향력이 너무 컸던 것 같다. 10년 후, 과학 연구계에서는 연구를 하기 전에 미국 감독이 이렇게 말했다. Richard Fleischer는 Feynman의 아이디어를 고전 공상 과학 영화 "Fantastic Voyage"로 만들었습니다. 영화에서는 5명의 의사가 뇌혈관이 손상된 생명을 위협하는 환자의 몸에 원래 크기의 100만분의 1로 줄어들어 주사를 맞은 뒤, 일련의 모험 끝에 마침내 출혈 지점을 찾아 구출하는 데 성공했다. 환자는 제 시간에 환자의 생명을 앗아갔습니다.
하지만 인체에 들어갈 수 있는 마이크로 로봇은 단지 환상에 불과할 수 있을까요? 대답은 분명히 의심스럽습니다.
파인만이 "체내 외과의사"라는 개념을 제안한 이후 과학자들은 이 아이디어에 매료되고 영감을 받아 마이크로 로봇 연구에 투자하여 많은 좋은 결과를 얻었습니다. 과학자들은 미래에는 기계가 실제로 인체에 침투하여 표적 치료와 약물 전달을 달성하고 종양과 같은 주요 질병 치료에 도움을 줄 수 있다고 상상합니다.
얼마 전, 뉴사이언티스트에서 자기로 조종되는 슬라임 마이크로 로봇 "슬라임"이 인기를 끌었습니다.
자성 점액 소재로 제작되어 체내에 들어가 실수로 삼킨 소형 기기를 제거할 수 있습니다. 4월 1일 공개되자마자 네티즌들은 큰 반향을 일으켰고 클릭률은 단숨에 10만, 100만, 1000만을 넘어섰습니다. 이 로봇의 외모, 움직임, 능력은 모두 "괴물"에 가깝습니다. 이는 우리가 상상하는 "기계"나 "인간"이 단단한 하드웨어로 만들어지고 인간과 유사한 얼굴 특징과 신체를 가지고 있다고 상상하는 것과는 매우 다릅니다.
데모에 따르면 검은색 반죽 덩어리처럼 생겼으며 머리도, 얼굴도, 손도, 발도 없고 몸이 부드러워지고 모습도 변합니다. 
삽화: 홍콩 중문대학교 기계자동화공학과 교수 Zhang Li
실제 최근 몇 년간 비행 등 마이크로 로봇에 관한 연구 성과가 속속 등장하고 있다. 마이크로모터로 구동되고 파리/딱정벌레만큼 큰 로봇. 이들과 달리 '슬라임' 로봇의 독특한 특징은 비뉴턴 액체 물질에 자성 분말과 자성 입자를 첨가해 자기장 제어를 구현해 유연하고 자유롭게 변형할 수 있다는 점이다. 
현재 "슬라임" 로봇에는 자율적으로 움직일 수 있는 능력이 없습니다. 로봇의 움직임과 확장은 내부의 네오디뮴 자석("강력한 작은 자기 공"으로 이해될 수 있음)을 제어하기 위해 외부 자기장에 의존합니다. ).
""슬라임" 로봇 자체는 고정된 모양이 없습니다. 점액질과 같습니다. 자기장을 추가하면 자기장에 반응합니다. 자석을 왼쪽에서 오른쪽으로 움직이면 자석을 따라가게 됩니다. 예를 들어, 누군가 실수로 유해한 부품을 삼켰을 경우, 이를 잡기 위해 손으로 변할 수 있습니다."라고 Zhang Li는 말했습니다. AI 기술 리뷰.
Zhang Li가 이끄는 ANML(Advanced Nanomaterials & Microrobotics Laboratory)이 자기 점액 로봇을 제작한 것은 이번이 처음입니다. 이전에 ANML은 3D 기술로 인쇄된 생체 공학 곤충 로봇을 포함하여 다양한 유형의 마이크로 나노 로봇을 생산했으며, 이 로봇은 모두 자기장을 기반으로 원격 제어됩니다. "그러나 'Slime' 로봇과 같은 점액형 로봇은 큰 변형을 가지고 있습니다." , 코끼리 코처럼 말아올릴 수 있습니다”라고 Zhang Li는 말했습니다.
더 놀라운 것은 이 작품의 제1저자이자 ANML 연구실의 현직 박사후 연구원인 Sun Mengmeng이 ANML에 합류한 후 연구 개발을 시작하고 논문 출판까지 반년밖에 걸리지 않았다는 점입니다.
그림: Sun Mengmeng 박사
"이것은 주로 Sun Mengmeng이 하얼빈 공업대학교(Xie Hui 교수 지도 아래)에서 박사 과정을 공부할 때 이미 몇 가지 아이디어를 갖고 있었기 때문입니다. 여기에 온 후, 우리 연구팀의 도움으로 관련 재료와 자성을 연구했다. 제어 작업에 대한 많은 경험이 축적돼 프로젝트가 순조롭게 진행되고 있다”고 장리(Zhang Li)가 말했다.
인체 내부 환경의 복잡성을 고려하여 Zhang Li 팀은 "Slime" 로봇이 소화관에 특정 적용 공간을 가질 수 있다고 상상했습니다. 몇 가지 주요 이유가 있습니다. 첫째, 소화관의 공간이 큽니다. "Slime" 로봇은 내부를 더 원활하게 이동할 것입니다. 둘째, 인간의 소화관에는 이미 많은 미생물군이 있으므로 신체 내부에서 로봇을 시도할 위험이 상대적으로 낮습니다. 셋째, "Slime" 로봇을 만드는 데 사용되는 재료는 다음과 같습니다. 세포 독성 테스트를 완료했으며, 독성이 낮고, 체내에 단시간 체류했다가 배설되는 경우에는 이론적으로 안전합니다.
물론, "슬라임" 로봇을 내부 치료 액추에이터로 사용한다는 아이디어는 아직 개념 단계에 있으며 추가 탐구가 필요합니다.
'슬라임' 로봇의 성능은 만족스럽긴 하지만, 몸 속으로 들어갈 수 있는 마이크로 로봇의 개발 역사를 돌아보면 수명이 몇 십 년에 불과하다.
1970년대에 미국 정보국은 기밀 연구를 촉진하기 위해 전쟁 포로 지원 및 전자 차단 작업을 수행할 수 있는 마이크로 로봇을 설계하려고 했습니다. 그러나 기본 지원 기술이 완전히 개발되지 않았기 때문입니다. 당시에는 이 세트에서 마이크로 로봇 프로토타입이 개발되지 않았으며 초기 계산 및 개념이 개발되었습니다.
마이크로 로봇이 공식적으로 출시된 것은 21세기가 되어서였습니다. 마이크로 전자기계 및 마이크로 액츄에이터와 같은 다학문 분야의 발전으로 마이크로 로봇은 중요한 기술 혁신을 달성했으며 점차 국제적인 연구 핫스팟이 되었습니다.
캡션: 바이오닉 마이크로 로봇
반세기 넘게 연구된 대형 로봇에 비하면 마이크로 로봇의 개발은 20년이 채 안 됐고, '몸 속으로 들어갈 수 있는 마이크로 로봇'은 국내외를 막론하고 아직 초기 단계다.
마이크로 로봇에는 다양한 카테고리가 있습니다. 그 중 마이크로 의료 로봇은 업계에서 가장 유망한 응용 분야로 간주됩니다. 일본과학기술정책연구원은 “미래에는 의료분야에서 마이크로로봇과 로봇을 활용한 수술이 전체 의료수술의 절반 이상을 차지할 것”이라고 전망했다.
해외에서는 일본이 앞장서 '로봇 외과의사' 계획을 채택하고, 인간의 혈관을 돌아다니며 암세포를 찾아 죽이는 초소형 로봇을 개발하고 있다. 미국 메릴랜드주 존 홉킨스 연구소에서는 소형 실리콘 체온계와 소형 회로를 갖춘 소형 감지 장치를 개발했다. 스웨덴 과학자들이 미래에는 단일 세포를 움직이거나 박테리아를 포획해 인체 내 다양한 수술을 할 수 있는 로봇을 개발했다.
소주대학교 Sun Lining 교수, 심양 자동화 연구소 Liu Lianqing 교수 등 국내 연구자들도 일찍부터 이 첨단 방향에 주목해 왔습니다. '인비보 로봇' 분야에서는 홍콩중문대학교 장리 교수, 심천첨단기술연구원 연구원 쉬티엔티안 등 젊은 학자들이 뒤지지 않고 새로운 것을 탐구하고 있다. 재료와 통제라는 두 가지 주요 방향에서 기회를 얻을 수 있습니다.
일반적으로 체내 로봇 구현에는 세 가지 주요 요소가 있습니다. 첫째, '초소형' 차체 구현, 둘째, 내부 환경에 적응하는 안전 소재, 셋째, '자율주행'입니다. 몸 속에 로봇이 들어가는 기술.
"슬라임" 로봇을 예로 들면 가장 큰 혁신은 소재입니다. 비뉴턴 유체 특성을 지닌 폴리비닐알코올과 붕사 소재에 실리카 층을 더해 외부와의 접촉에 따라 점도가 변하며, 기체, 액체, 고체 환경에 대한 적응성이 높습니다. . 둘 다 확장 및 크롤링이 가능하며 다중 모드 조작을 수행할 수 있습니다.
예: 비뉴턴 액체를 수영장에 부어 물 위에 뜬다
그러나 붕사의 독성 안전성은 아직 보장되지 않았습니다. 현재 이 분야 연구의 초점 중 하나는 어떤 물질이 적합한지 알아내는 것입니다. 마이크로 의료 로봇을 만드는 데 더 적합합니다. 재료는 유연하고, 피부 친화적이고, 무독성이며, 무해하고, 신체에서 쉽게 제거되고 조작이 쉬워야 합니다.
혁신과 안전에 대한 Zhang Li 교수의 견해는 다음과 같습니다. “때때로 과학자와 의사는 서로 다른 생각을 가지고 있습니다. 의사는 종종 더 보수적이고 안전을 먼저 고려하는 반면, 과학자는 혁신을 더 강조합니다. 이는 모순입니다. “그러나 의료 현장에서는 안전이 최우선이어야 한다는 점에는 의심의 여지가 없습니다.
재료 외에도 신체 내 마이크로 로봇의 경로 제어는 '외과 의사'가 되기 위해 시급히 해결해야 할 또 다른 문제입니다. 최근 몇 년 동안 생체 내 마이크로 로봇의 연구 초점은 개방 루프 제어에서 폐쇄 루프 제어로, 단일 모션 모드에서 다중 모션 모드로, 단일 로봇에서 다중 로봇으로 세 단계의 변화를 경험했습니다. 마이크로 로봇 클러스터의 제어는 생체 내 의료 시나리오에서 실용적인 응용 가치를 가지며 로봇 공학 분야의 주요 연구 동향이기도 합니다.
단일 로봇에 비해 클러스터 마이크로로봇은 두 가지 주요 장점이 있습니다.
첫째, 실패율을 줄입니다. 예를 들어 약물 전달의 경우 군집 로봇의 약물 로딩 용량을 늘릴 수 있습니다. 또한 혈액과 같은 환경에서는 작은 로봇 하나가 쉽게 혈액에 씻겨 나가거나 대식세포에 삼켜질 수 있습니다. 이때 로봇 클러스터로 전환하면 치료 성공률을 높일 수 있습니다. 관찰하기 쉽습니다. 오늘날의 로봇은 나노미터 규모에 도달할 수 있지만, 신체 내부에 배치할 경우 기존 의료 영상 장비를 사용하여 단일 로봇을 명확하게 관찰하는 것은 극히 어렵습니다. 다이빙과 마찬가지로 우리는 눈앞에 헤엄치는 작은 물고기를 무시하는 경향이 있지만, 멀리서 검은 물고기 떼를 보면 충격을 받는 경우가 많습니다.
3. 경로 제어: 신체의 "운전"
Xu Tiantian은 자동화 제어 분야 출신입니다. 그는 파리의 Ecole Centrale과 University of Paris VI에서 석사 및 박사 학위를 받았습니다. 그는 박사 과정에서 마이크로 로봇을 연구하기 시작했습니다. 2014년 박사학위를 취득한 후, 홍콩중문대학교 장리 교수팀에 박사후 연구원으로 합류했습니다. 2016년에 그녀는 심천 고등 기술 연구소 통합 연구소의 지능형 생체 공학 센터에 공식적으로 합류했습니다. 그녀는 현재 심천 고등 기술 연구소에서 의료용 마이크로 로봇의 경로 제어를 연구하는 유일한 과학자입니다.
그림: 심천첨단기술연구소 Xu Tiantian 연구원
Xu Tiantian 교수의 관점에서 보면 체내 마이크로 로봇의 경로 제어에 대한 연구는 크게 세 가지 방향으로 나눌 수 있습니다. 첫째, 마이크로 로봇을 만드는 방법 -로봇이 몸 안에서 움직인다고요? 두 번째는 설정된 경로에 따라 어떻게 움직이게 할 것인가? 셋째, 신체의 복잡한 환경에 어떻게 적응시킬 것인가?
마이크로 로봇을 자동차에 비유한다면, 체내 로봇의 정지 동작은 복잡하고 분주한 도시에서 공중에서 운전하기 위해 자동차를 제어하는 것과 같습니다. 이는 매우 어렵고 안전 위험 요소가 매우 높습니다.
미시 세계의 많은 물리 법칙은 거시 세계의 물리 법칙과 다르다는 점에 유의해야 합니다. 예를 들어, 1976년 노벨 물리학자 E.M. 퍼셀(E.M. Purcell)은 가리비가 껍질을 빨리 열었다가 천천히 닫을 때 관성으로 인해 빠르게 열리면 가리비가 앞으로 튀어나온다는 '가리비 정리'를 제안했습니다. 차례로 실행되는 "전진 운동"입니다. 그러나 미시적 세계에서는 점도에 비해 관성력은 거의 무시할 수 있기 때문에 가리비의 개폐 작용으로는 앞으로 나아갈 수 없습니다.
인체의 내부 환경 역시 미시적인 세계입니다. 마이크로로봇을 몸 안에서 움직이게 하는 방법은 무엇입니까?
Xu Tiantian은 팀과 협력하여 자연에서 영감을 얻었습니다. 하나는 나사를 비틀고 돌리고 앞으로 나아가는 나선형 꼬리에 의해 앞으로 움직이는 대장균이고, 다른 하나는 자신의 정자를 두들겨 유연하게 진동시키는 것입니다. 꼬리가 앞으로 진동합니다. 이 두 가지 방법으로 나선형 로봇과 정자 모양의 생체공학 로봇을 만드는데 성공했고, 로봇이 체내 환경을 모방한 환경에서 움직이도록 하는 데 성공했다.
그림: 마이크로 로봇은 액체 속에서 앞으로 "나선형으로 헤엄칩니다"
그러나 로봇이 몸 안에서 움직이게 하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 앞으로 가는 경로가 안전한지, 몸 안에서 난폭하게 달릴 수 없는지 확인해야 하는데...
따라서 로봇이 몸 속에서 '정확하게' 왕복하고, 위험한 부위를 우회하여 안전을 확보하기 위해서는 마이크로 로봇의 경로 제어를 연구하는 데 특히 중요합니다. 그리고 앞서 언급했듯이 로봇은 '공중에서 앞으로 이동'하여 신체 내에서 작동하므로 로봇에는 3D 이동 기능이 필요합니다.
2019년 Xu Tiantian 팀은 경로 차별화 방법을 사용하여 특정 경로를 작은 세그먼트로 구분하고 각 지점에서 가장 가까운 세그먼트를 찾아 진행 방향을 제어할 수 있는 새로운 경로 추적 제어 알고리즘을 제안했습니다. 그들의 알고리즘은 밀리미터 수준의 자기 구동 소프트 로봇에 대한 3D 경로 제어를 성공적으로 실현했습니다. 관련 연구는 IEEE IROS(International Conference on Intelligent Robots and Systems) 최우수 응용 논문상을 수상했습니다.
경로 제어 분야에서 Xu Tiantian의 팀 자기 제어도 사용됩니다. 자기제어의 가장 큰 장점은 무선으로 제어할 수 있다는 점이다. 로봇이 체내에 들어가면 인간 연구원이나 의사가 체외에서 수술을 수행할 수 있다. 동시에 자기 제어는 응답 시간이 짧고 전력 밀도가 높으며 반복성이 높습니다. 로봇은 여러 번 병변에 성공적으로 도달하여 성공률의 무작위성을 제거할 수 있습니다.
캡션: Xu Tiantian 팀의 다자유도 자기 제어 장치
Xu Tiantian과 그의 팀은 단일 로봇의 3D 경로 제어를 실현한 후 여러 로봇의 공동 제어 연구를 향해 나아가고 있습니다.
Xu Tiantian은 AI Technology Review에서 자기 제어를 기반으로 하는 마이크로 로봇 떼의 작동에 두 가지 주요 어려움이 있다고 설명했습니다. 첫째, 동일한 자기장에서 입력 신호가 동일하므로 여러 마이크로 로봇이 작동하게 됩니다. 둘째, 마이크로 로봇 간의 통신이 부족하여 독립적으로 제어할 수 없습니다.
이 문제를 해결하기 위해 Xu Tiantian과 그의 팀은 수년 동안 연구해 왔으며 마침내 올해 초에 결과를 얻었습니다.
그들은 통신이 필요하지 않고 외부 통합 신호를 사용하는 완전히 분리된 방법을 제안했습니다. 로봇을 인식하고 동일한 로봇을 감지하는 방법을 해결합니다. 신호는 처음으로 4개의 자기 소프트 마이크로 로봇의 독립적인 위치 제어와 3개의 자기 소프트 마이크로 로봇의 독립적인 경로 추종 제어를 실현했습니다. 관련 연구("위치 제어를 위한 다중 자기 유연 밀리로봇의 독립 제어 전략" 및 경로 추적")는 로봇공학 최고 국제 저널인 T-RO에 게재되었습니다.
캡션: 밀리미터 수준 로봇의 독립적 위치 제어: (a) 2개의 로봇 위치 제어, (c) 3개의 로봇 위치 제어, (b), (d) 및 (f) 로봇의 해당 위치 궤적
이 작업은 여러 마이크로 로봇의 공동 제어에 큰 진전을 이루었습니다. 그러나 Xu Tiantian은 또한 AI Technology Review에 현재 4개의 마이크로 로봇에 대한 독립적인 제어를 달성했으며 앞으로는 더 큰 목표를 향해 나아갈 것이라고 말했습니다.
경로 제어에 인공지능 알고리즘을 도입하는 것도 트렌드가 되고 있다는 점은 주목할 만합니다. 예를 들어, Xu Tiantian 등은 복잡한 환경에서 로봇의 제어 속도를 자동으로 계산하고 최적화하기 위해 남중국 공과대학 컴퓨터 과학부 학장 Chen Junlong이 2016년에 제안한 "폭 학습" 방법을 사용하기 시작했습니다. , 이로써 더 나은 제어를 달성합니다.
그렇다면 마이크로 로봇이 몸 속으로 들어가기까지는 얼마나 걸릴까요?
파인만의 추측은 매우 전위적임에는 의심의 여지가 없으며, '내과의사'라는 아이디어도 매우 매력적입니다.
얼마 전 네이처(Nature)에서도 암 치료를 위한 마이크로로봇의 전망을 논의하는 기사를 게재했습니다. 예를 들어, 항암제는 종종 혈전 위험이 있는 응고제 정맥 주사를 포함하는 전통적인 치료법을 사용하는 샷건 접근법을 사용합니다. 화학요법은 종양을 파괴하지만 필연적으로 건강한 세포를 공격해 일련의 부작용을 일으킨다. 이 딜레마에 대한 탐나는 대안은 표적 치료 및 약물 전달을 위해 암 환자에게 마이크로로봇을 주입하는 것입니다.
장리는 언젠가 마이크로 로봇이 몸에 들어가서 암을 치료할 수 있다는 상상을 하며 엄청난 연구 열정과 의욕을 갖고 있습니다. 그러나 동시에 연구자들은 마이크로 로봇을 신체에 구현하기까지는 아직 갈 길이 멀다는 점을 분명히 알고 있습니다. 예를 들어 아직까지 국내외 연구진 중 실제로 마이크로로봇을 체내에 구현한 사례는 없다. Leifeng.com
안전, 윤리, 비용 효율성, 위험 통제 등은 모두 미래에 사람들이 해결해야 할 문제입니다.
과학자들은 내부 로봇의 연구와 구현을 촉진하기 위해 열심히 노력하고 있습니다. Zhang Li는 AI Technology Review에 최근 몇 년 동안 홍콩 정부가 홍콩 사이언스 파크(아래 사진)에 의료 로봇 혁신 기술 센터를 건설하기 위해 4억 7천만 달러를 투자했다고 밝혔습니다. 공진 기술, X선 기술 등을 활용하여 과학자들이 의료 로봇의 혁신과 기술 육성을 수행할 수 있도록 지원합니다.
사진 제공: Zhang Li
"과학적 연구 관점에서 볼 때 'Slime' 로봇은 획기적인 혁신이라고 생각하지 않습니다." Zhang Li는 "우리는 오히려 달성하는 것입니다. 마이크로 로봇에 지능을 부여하고, 마이크로 로봇 클러스터와 제어 시스템을 혁신하고, 장치를 더 안전하고, 더 작고, 더 지능적으로 만들고, 궁극적인 목표는 인류에게 혜택을 주는 것입니다." 1950년대에 제안된 '내과의사' 아이디어는 가까운 미래에 현실화될 것이며, 안저, 망막, 위장관, 방광 등 인체의 모든 부위에 적용될 수 있을 것이다. 아니면 혈관.
곧 다가올 오늘을 기대해보겠습니다.
참조 링크:
https://twitter.com/newscientist/status/1509599345255100417
https://www.siat .ac.cn/yjdw2016/rcdt2016/201912/t20191206_5449581.html
https://en.wikipedia.org/wiki/Microbotics
https://cuhk.edu.hk/chinese/features/zhang_li.html
http://www.cuhklizhanggroup.com/
http://people.ucas.edu.cn/~xutiantian
https://m.xzbu.com/9/view-9606955.htm
위 내용은 파인만의 랩소디: 몸 속으로 들어갈 수 있는 '외과의사'의 상세 내용입니다. 자세한 내용은 PHP 중국어 웹사이트의 기타 관련 기사를 참조하세요!
![[웹 프런트엔드] Node.js 빠른 시작](https://img.php.cn/upload/course/000/000/067/662b5d34ba7c0227.png)
