표적 약물 방출, 최신 버블봇으로 실현에 한 걸음 더 가까워지다

로봇공학은 효율적이고 비용 효율적인 솔루션에 대한 수요가 증가함에 따라 매년 점점 더 인기를 얻고 있습니다.

로봇 기술이 편리함과 향상된 안전성을 제공하고 인공지능 및 머신러닝이 통합되어 보다 고급 로봇 기능을 가능하게 함에 따라, 전 세계 로봇 시장이 이번 십년 말까지 이번 십년 말까지 $200 billion을 넘어설 것으로 예상되는 것은 놀라운 일이 아닙니다.

로봇 사용이 증가하고 있음을 보여주는 또 다른 증거는 전 세계 산업용 로봇 설치량으로, 2023년에 541,302대에 이르렀으며 이는 역사상 두 번째로 높은 연간 설치량입니다. 기록은 그 전 해인 2022년에 552,946대가 설치되면서 세워졌습니다.

이로써 현재 전 세계에서 가동 중인 로봇 수는 약 430만 대로 사상 최고치를 기록했으며, 아시아가 70%로 가장 큰 비중을 차지하고, 유럽이 17%, 미국이 10%를 차지하고 있습니다. 로봇 제조 분야에서는 일본이 46%의 시장 점유율로 선두를 달리고 있습니다.

국제 로봇 연맹(IFR)에 따르면, 로봇 산업은 2025년에 가속화될 것이며 향후에도 이 속도를 유지할 것으로 전망됩니다.

이제 로봇의 대규모 확장을 주도하는 산업을 살펴보면, 자동차 산업이 가장 앞서고 있으며, 전자, 금속·기계, 폐기물 관리, 농업, 소매, 건설, 식품 서비스 등도 로봇을 활용하고 있습니다.

헬스케어 분야 로봇

다양한 산업에서 로봇이 사용되고 있지만, 그 영향이 가장 크고 긍정적인 분야는 바로 의료입니다. 전 세계 의료 로봇 시스템 시장은 빠르게 성장하고 있으며, 2024년 160억 달러 규모에서 2029년에는 338억 달러로 성장할 것으로 추정됩니다.

로봇은 약물 공급, 재활 보조부터 진단, 수술, 약물 전달에 이르기까지 의료 전 분야에서 활용되고 있습니다.

예를 들어, 로봇 팔은 혼합, 분배, 계량, 검사에 사용되며, 프로그래밍된 공급 로봇은 특정 위치에 물품을 전달합니다.

이러한 자율 이동 로봇은 인간 작업자의 신체적 부담을 줄이고 인력 부족 문제를 완화함으로써 의료 전문가의 일상 업무를 단순화합니다. 또한 재고를 추적하고 필요한 순간에 항상 물품이 비치되도록 하며, 방을 소독하고 환자 준비를 돕습니다.

이러한 일상 업무를 모두 맡게 함으로써 자율 이동 로봇은 의료진이 기술로는 충족시킬 수 없는 환자 개별 요구에 집중하도록 합니다. Aethon사의 Tug 로봇은 어려운 환경에서도 안전하게 필요한 시점에 필요한 곳으로 물품을 전달할 수 있는 대표적인 사례입니다.

이 로봇들은 병원 및 병원 외부에서 병원체 노출 위험이 있는 지역으로 물품을 운반하고, 청소·소독 작업을 수행함으로써 안전한 작업 환경을 조성하는 데도 기여합니다.

CDC에 따르면, 병원 환자 31명 중 1명은 하루에 최소 한 건의 의료 관련 감염을 겪고 있습니다. 이는 병원이 방을 완전히 소독하지 못하기 때문입니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 FDA 승인을 받은 Xenex와 같은 자동화 로봇이 펄스 UV 광을 사용해 몇 분 만에 병실을 살균하도록 제작되고 있습니다.

기술 혁신은 또한 외과 의사가 복잡한 수술을 수행할 때 속도와 정확성을 높이는 고급 수술 보조 로봇을 탄생시켰습니다.

다중 팔을 가진 다빈치 수술 시스템은 수술을 덜 침습적으로 만들고, 수술 오류를 감소시키며, 향상된 제어력을 제공합니다. 사이버나이프는 종양에 방사선 치료를 극도로 정밀하게 전달함으로써 암을 치료합니다.

또한 고령화와 만성 질환 환자의 지속적인 약물 복용 및 정밀 치료 필요성으로 인해 제약 로봇이 큰 주목을 받고 있습니다. 일반적으로 수작업으로 진행되는 시간 소모적인 핵심 공정을 자동화함으로써 제약 로봇은 품질과 정밀성을 더욱 향상시킵니다.

약물 전달용 로봇 

기술 발전과 약물 개발 및 환자 관리 자동화에 대한 수요 증가에 힘입어, 로봇은 약물 전달을 보다 효율적이고 정밀하게 만들어 환자 치료를 개선하고 있습니다.

기업들은 화학 반응이나 빛, 전기장, 자기장과 같은 외부 자원을 이용해 스스로 움직이며 접근하기 어려운 부위에 약물을 전달하는 마이크로·나노 로봇을 개발하고 있습니다. 질병 부위를 표적화함으로써 치료 효능을 높이고 부작용을 감소시킵니다.

몇 년 전, 연구팀은 자기 나노로드가 부드러운 구형 껍질에 둘러싸인 작은 구르는 로봇인 MANiACs를 개발했습니다. 2022년에는 스탠포드의 기계공학 엔지니어가 동일한 목적을 위한 다기능 무선 로봇을 제작했습니다.

그리고 불과 몇 달 전, 싱가포르 NTU 연구진은 목표 약물 전달을 위한 곡물 크기의 연성 로봇을 개발했습니다. 이 로봇은 자기 미립자를 사용해 제작되었으며 자기장을 이용해 제어되며, 최대 네 가지 약물을 운반하고 재프로그래밍 가능한 용량과 순서로 방출할 수 있습니다.

이 연구는 팀이 이전에 수행한 자기 제어 소형 로봇을 기반으로 하며, 이 로봇은 작은 물체를 잡고 좁은 공간을 헤엄치는 등 복잡한 움직임을 수행할 수 있었습니다.

1960년대 SF 영화 ‘판타스틱 보야지’에서 승무원들이 세포 크기로 축소되어 과학자의 뇌 손상을 복구하는 장면에서 영감을 받아, 연구진은 상상을 현실로 구현하고 있습니다.

고도로 정교한 이 로봇은 실험실 테스트에서 초당 0.30 mm에서 16.5 mm 사이의 속도로 움직였으며, 더 어려운 환경에서도 약물을 성공적으로 전달했고, 8시간 지속적인 움직임 후에도 약물 누출이 최소에 그쳤습니다.

NTU 팀은 이제 이러한 로봇을 더욱 작게 만들어 방광암, 뇌종양, 대장암 치료에 활용할 수 있는 방안을 모색하고 있습니다.

마이크로봇: 정밀 의학을 혁신하는 작은 로봇

마이크로봇은 미니어처 센서와 액추에이터를 활용해 프로그래밍된 작업을 수행합니다. 마이크론 크기로 인해 전통적으로 접근이 어려운 복잡한 환경에서도 사용하기 용이합니다. 이러한 특성 덕분에 최소 침습 수술, 질병 진단, 해독, 정밀 약물 전달 등에 없어서는 안 될 존재가 됩니다.

하지만 효능과 깊은 조직 내 위치 지정 측면에서 도전 과제가 존재합니다.

또 다른 주요 문제는 실질보다 과시가 더 많다는 점입니다. 지난 20년간 여러 버전의 마이크로·나노 로봇이 출시되었지만, 현재까지 살아있는 시스템에 대한 적용은 다소 제한적이었습니다. 또한 타액, 소변, 혈액과 같은 복잡한 생체액에서 높은 정확도로 물체를 이동시키는 것도 상당히 복잡합니다.

나노 로봇이 직면한 다른 장애물로는 체내 실시간 탐지와 표적 치료를 위한 정밀 원격 제어가 있습니다.

또한 이러한 마이크로봇을 설계할 때, 유선형(테더드)인지 무선형(언테더드)인지에 대한 질문이 제기됩니다. 인간 몸 안에서 효과적으로 작동하려면 무선형 마이크로 로봇은 생체액을 통한 지속적인 추진력, 높은 탑재량, 외과적 제거를 피할 수 있는 높은 생체 적합성, 실시간 시각화를 위한 향상된 영상 기술, 그리고 정밀 표적 지정 능력을 갖춰야 합니다.

여기서 음향 구동 로봇은 깊은 조직 침투, 비침습 작동, 빠른 반응, 강력한 추진력, 안전성 등의 장점으로 큰 잠재력을 보여주고 있습니다.

그래서 캘텍 연구진은 BAM이라는 수소젤 기반, 영상 유도, 생분해성 음향 마이크로 로봇을 소개했습니다. BAM은 금속 인간형이나 바이오 모방 로봇이 아니라 작은 거품 형태의 구체입니다.

논문 공동 교신 저자인 캘텍 및 Heritage Medical Research Institute 연구원인 Wei Gao 교수는 다음과 같이 말했습니다:

“우리는 이러한 모든 문제를 해결할 수 있는 단일 플랫폼을 설계했습니다.”

그들의 연구에 따르면, 실험 결과 이 로봇은 마우스의 방광 종양 크기를 감소시키는 치료제를 성공적으로 전달했습니다.

“약물을 몸에 주입하고 전부 확산되게 하는 대신, 이제 우리는 마이크로 로봇을 직접 종양 부위로 안내하고 제어된 효율적인 방식으로 약물을 방출할 수 있습니다.”

– Gao

BAM 기술이 발전함에 따라, 이 장치는 의료 분야와 환자 치료에 큰 영향을 미칠 것으로 기대됩니다.

BAM의 설계 및 개발

구형 미세구조를 가진 새로운 마이크로 로봇은 폴리(에틸렌 글리콜) 디아크릴레이트라는 수소젤로 제작되었습니다. 수소젤은 액체 또는 수지 형태로 시작하지만, 내부 폴리머 네트워크가 교차 결합하면 고체가 됩니다.

이러한 조성 및 미세구조 덕분에 수소젤은 다량의 액체를 보유할 수 있어 로봇의 생체 적합성 문제를 극복하는 데 도움이 됩니다. 동시에 적층 제조 기술을 통해 외부 구체가 체내 목표 부위로 치료 물질을 운반할 수 있게 됩니다.

미세구조와 수소젤 레시피는 공동 교신 저자인 Julia R. Greer와 재료 과학·역학·의료공학 교수인 Ruben F.와 Donna Mettler의 도움으로 제작되었습니다.

이를 위해 그녀의 연구팀은 두광자 중합(TPP) 리소그래피를 활용했습니다. 이 3D 프린팅 기법에서는 레이저를 사용해 복잡한 구조를 만들며, 적외선 레이저의 초고속 펄스를 이용해 광감응성 폴리머를 선택적으로 교차 결합시켜 특정 설계를 구현합니다.

TPP 리소그래피는 기본적으로 고해상도 구조를 층층이 구축하여 복잡한 형태와 높은 정밀도를 달성하게 해 줍니다. 연구팀은 인간 머리카락과 동일한 약 30 µm 직경의 미세구조를 프린트(작성)할 수 있었습니다.

구체 형태에 대해 Greer는 “작성하기가 매우 복잡하고 구체가 스스로 붕괴되지 않도록 특정 노하우가 필요하다”고 언급했으며, 팀이 이를 구현한 것은 큰 성과라고 강조했습니다.

“우리는 모든 생물학적 기능화와 의료에 필요한 요소를 포함한 수지를 합성했을 뿐만 아니라, 필요한 공동을 가진 정밀 구형 형태로 작성할 수 있었습니다.”

– Greer

이것이 구체의 내부 구조이며, 외부 구조는 최종 형태에서 마이크로 로봇이 자기 나노입자와 치료 약물을 포함하도록 설계될 것입니다.

자기 나노입자는 외부 자기장을 이용해 로봇을 제어하고 원하는 위치로 이동시킬 수 있게 해 줍니다. 목표 지점에 도달하면 로봇은 그 위치에 머무르고 약물은 수동적으로 확산됩니다.

미세구조 외부는 친수성으로 설계되어 물을 끌어당깁니다. 이는 로봇이 체내를 이동할 때 서로 달라붙지 않도록 보장합니다.

반면 내부 표면은 친수성이 아니라 소수성으로 만들어 공기 거품을 포획하도록 설계되었습니다.

외부는 물을 끌어당기고 내부는 물을 배제하는 하이브리드 마이크로 로봇을 만들기 위해 팀은 화학적 변형을 설계했습니다.

이 변형은 두 단계로 이루어졌습니다. 첫 번째 단계에서는 수소젤에 긴 사슬 탄소 분자를 부착해 소수성을 부여했습니다. 두 번째 단계에서는 산소 플라즈마 에칭 기법을 사용해 외부의 탄소 구조를 제거해 친수성을 회복했습니다.

그들은 이 화학 변형을 “프로젝트의 핵심 혁신 중 하나”라며, 비대칭 표면 변형 덕분에 “다수의 로봇을 사용하면서도 소변이나 혈청과 같은 생체액에서 거품을 장시간(수일) 유지할 수 있게 되었다”고 Gao는 설명했습니다.

팀 시연에 따르면, 이 기술은 거품이 몇 분이 아니라 며칠 동안 지속되도록 했습니다.

그렇다면 처음부터 왜 거품을 포획해야 할까요? 거품을 포획하면 로봇을 이동시키고 실시간 영상으로 추적하는 데 필요합니다.

마이크로 로봇이 전진하도록 하기 위해 연구진은 구체에 두 개의 원통형 개구부를 설계했습니다. 두 개의 개구부가 있으면 단일 개구부보다 다양한 생체액에서 더 높은 속도로 이동할 수 있었습니다.

초음파 장에 노출되면 로봇 내부의 거품이 진동해 주변 액체를 흐르게 하여 로봇을 추진합니다.

각 미세구조에 포획된 거품은 뛰어난 초음파 영상 대비제로 작용해 로봇을 생체 내에서 실시간으로 모니터링할 수 있게 합니다.

팀은 이후 방광 종양을 가진 마우스에 약물 전달 도구로 마이크로 로봇을 시험했습니다. 22일 동안 네 차례의 치료제 전달이 이루어졌으며, 로봇을 사용한 경우 종양 크기 감소 효과가 로봇을 사용하지 않은 경우보다 더 뛰어났습니다. Gao는 다음과 같이 말했습니다:

“우리는 이것이 약물 전달 및 정밀 수술을 위한 매우 유망한 플랫폼이라고 생각합니다. 앞으로는 다양한 치료 물질이나 제제를 다양한 질환에 전달하는 플랫폼으로 활용할 수 있을 것이며, 장기적으로는 인간에게도 시험해 보고 싶습니다.”

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의료 로봇 분야 투자 가치가 있는 기업 

이제 이 분야의 대표적인 기업을 살펴보겠습니다:

Intuitive Surgical (ISRG )

이 회사는 시가총액 1866억 달러 규모로, 다빈치 수술 시스템과 Ion 내강 시스템을 개발·제조·마케팅하는 것으로 알려져 있습니다. Intuitive Surgical의 제품과 서비스는 환자 결과를 개선합니다.

작성 시점에 주가는 517달러에 거래되고 있으며, 연초 대비 55.3% 상승했으며, EPS(TTM)는 6.2, P/E(TTM)는 84.22입니다. 2024년 3분기에 이 회사는 매출 20.4억 달러를 기록했으며, 전년 동기 대비 17% 증가했습니다.

이 기간 동안 전 세계 다빈치 시술 건수는 3분기 2023 대비 약 18% 증가했으며, 설치 기반은 9,539대로 확대되었고, Intuitive Surgical은 379대를 추가 설치했습니다. 또한 이 회사는 한국에서 시스템에 대한 규제 승인을 획득했습니다.

결론

로봇공학은 전 세계와 다양한 산업에서 큰 주목을 받고 있습니다. 특히 의료 분야에서 로봇에 대한 수요는 임상 워크플로우를 간소화하고, 수술을 보조하며, 감염 위험을 줄이고, 보다 안전한 환경과 고품질 환자 치료를 제공한다는 점에서 강력히 성장하고 있습니다.

오늘 우리가 살펴본 최신 나노 로봇 연구는 어려운 경우는 물론 불가능에 가까운 경우까지 치료할 수 있는 의료 혁신을 보여줍니다. 이는 향상된 치료법과 더 건강한 미래를 위한 길을 확실히 열어줍니다.

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