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기계공학과 연구자가 강력한 악력을 가지면서 동시에 섬세한 도구 조작도 가능한 인간형 로봇 손을 개발하는 데 성공했다. 로봇 손 구동을 위한 모든 구성요소가 자체 내장된 데다 기존의 로봇 손들로는 불가능했던 여러 작업이 가능해 앞으로 다양한 분야에 활용될 전망이다.김의겸 교수(기계공학과)는 촉각 센서와 구동기를 비롯한 모든 구성요소를 포함한 일체형(All-in-one) 인간형 로봇 손 개발에 성공했다고 밝혔다. 이번에 개발한 로봇 손은 일상 생활에 필요한 대부분의 도구를 조작할 수 있을 뿐 아니라 인간 수준의 자유로운 움직임이 가능하다.이번 연구 성과는 저명 학술지 <네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, Impact Factor 14.919)> 12월15일자에 온라인 게재됐다. 논문 제목은 ‘링크 구동 기반의 모든 구성요소가 통합된 인간형 로봇 손 (Integrated Linkage-Driven Dexterous Anthropomorphic Robotic Hand)’이다. 이번 연구에는 제1저자 및 교신저자로 김의겸 아주대 교수(기계공학과)가, 공동 제1저자로 정다운 고려대 박사과정 학생이 참여했으며, 한국기계연구원(KIMM) 로봇메카트로닉스실과의 협력 연구로 진행되었다.연구팀이 개발한 로봇 손은 강력한 악력을 가지면서 동시에 섬세한 도구 조작이 가능하다. 이번에 개발한 로봇 손이 들 수 있는 무게는 18kg에 달한다. NASA가 개발한 로봇(Robonaut II hand)의 가반하중이 9kg인 것을 고려해 볼 때, 아주대 연구팀이 개발한 로봇 손의 가반하중 18kg은 매우 높은 수준이다. 이에 기존의 로봇 손들로는 불가능했던 ▲맥주 캔 찌그러뜨리기 ▲무거운 아령 들기 등을 수행할 수 있다. 더불어 섬세한 움직임과 높은 자유도를 필요로 하는 다양한 도구의 사용도 가능하다. 연구팀은 이 로봇 손을 활용해 ▲가위로 종이 자르기 ▲핀셋으로 작은 칩 옮기기 등을 시현하는 데 성공했다. 인간형 로봇 손은 로봇 말단 장치 중 가장 작업의 영역이 넓고 활용성 역시 매우 높다. 현재 개발된 로봇 말단 장치들은 특정 환경에 특화되어 개발되었기 때문에 다양한 환경에서의 사용이 매우 제한적이다. 이에 국내·외 많은 연구자들이 인간형 로봇 손에 대해 활발한 연구를 해왔다. 그러나 사람 손 수준의 자연스러운 움직임과 강한 악력, 촉각에 기반한 섬세함까지를 모두 구현해 내기에는 여러 한계가 있었다. 특히 로봇 손은 우수한 성능을 얻기 위해 촉각 센서, 구동기, 제어기 등의 구성 요소를 필요로 하며, 이는 로봇 팔뚝 형태에 추가 모듈로 포함되어야 했다. 추가 모듈은 로봇 손과 상용 로봇 팔과의 결합을 어렵게 하는 요소가 된다.김의겸 교수팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 촉각 센서와 구동기, 제어기 등의 모든 구성 요소를 로봇 손 자체에 내장시켜 완성해 냈다. 모든 구성 요소가 일체화(All-in-one)된 형태로 높은 자유도와 강한 악력, 정밀한 제어가 모두 가능한 고성능 로봇 손을 구현해 낸 것. 이에 기존 로봇 손에 비해 더욱 다양한 환경에서 폭넓은 활용이 가능하다. 이번 연구의 핵심 기술로는 링크 기반의 새로운 메커니즘 기술과 촉각 센서의 결합 기술을 들 수 있다. 연구팀은 링크 기반의 병렬 메커니즘과 직렬 메커니즘을 조합하여 새로운 메커니즘을 개발, 이를 통해 로봇 손 손가락의 독립적인 3자유도 움직임을 구현해 냈다. 3자유도 움직임이란손가락의 가장 안쪽 관절(중수지절간관절)에서의 두 방향 움직임(앞/뒤, 좌/우)과 중간 관절(근위지절간관절)의 한 방향 움직임(앞/뒤)을 의미한다. 김의겸 교수는 “손가락 크기의 좁은 공간에서 인간 손가락과 같은 3자유도의 독립적 움직임을 구현해 내는 것은 쉽지 않은 과제”라며 “링크 기반의 새로운 메커니즘 기술을 개발함으로써 이를 해결할 수 있었고 덕분에 기존 상용 로봇 팔과의 결합이 용이했다”고 설명했다.연구팀은 또한 로봇 손가락 끝에 민감도가 높은 6축 힘토크 센서를 내장, 손가락 끝에서 섬세하게 힘의 크기와 방향, 위치를 모두 측정할 수 있게 했다. 이 촉각 센서를 로봇 손에 내장하기 위해 연구팀은 결합 형태, 배선, 통신, 측정 보드를 고려하였고 컴팩트하게 결합할 수 있었다.김의겸 교수는 “이번에 개발한 고성능 로봇 손은 로봇 그리퍼나 의수를 비롯해 여러 분야에서 쓰일 수 있다”라며 “로봇 제어 연구, 딥러닝이나 강화학습 연구 등에도 적용 가능해 산업계와 우리 사회의 여러 영역에서 널리 활용되기를 기대한다”고 전했다. 이번 연구는 아주대학교 정착연구비 지원과 한국기계연구원 창의도전형 과제 지원으로 수행되었다. 이번에 개발된 로봇 손의 가반하중(물체를 들 수 있는 힘)은 18kg이다. 손가락 끝단에서 낼 수 있는 힘은 34N이고, 높은 자유도(15DOF), 20개의 관절 수, 1.1kg의 가벼운 무게, 최대 길이 218mm의 하드웨어 성능을 지닌다.
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- 작성일2022-03-17
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- 작성일2022-02-28
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- 작성일2022-02-04
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아주대 약학과 윤태종 교수 연구팀이 나노 유전자 편집 기술을 활용해 췌장암 치료제를 개발하는 데 성공했다. 이에 기존 췌장암 치료제에서 치료 효과를 보지 못한 환자들을 위해 활용될 수 있을 전망이다.윤태종 교수(약학과, 사진)는 나노 입자 전달체에 두 가지 서로 다른 특성을 갖는 유전자 가위 단백질 소재를 탑재하는 방식을 통해 두 가지의 유전적 이상 부위를 동시에 효과적으로 편집함으로써 새로운 췌장암 치료제를 개발하는 데 성공했다고 밝혔다. 관련 내용은 저명 학술지 <바이오머티리얼즈(Biomaterials)> 11월12일자 온라인판에 게재됐다. 논문의 제목은 ‘약물 내성 췌장암 치료를 위한 원샷-이중 유전자 편집(One-shot dual gene editing for drug-resistant pancreatic cancer therapy)’이다. 조영석 가톨릭대 교수(의과대학 소화기내과)도 연구에 참여했다.연구팀이 개발한 치료제는 유전자 변이로 인해 현재 췌장암 치료제로 널리 사용되고 있는 약물(젬시타빈, Gemcitabine)에 저항성을 보이는 환자들을 위한 것이다. 젬시타빈은 뉴클레오시드 화합물로, 췌장암 세포 안에 흡수되어 유전자에 삽입됨으로써 암 세포의 성장을 억제해 췌장암 환자 치료에 널리 사용되어 왔다. 그러나 췌장암 환자의 약 55% 정도는 두 유전자(KRAS, P53)에 동시 변이가 있어 젬시타빈 약물로 치료 효과를 보기 어렵다. 때문에 췌장암은 사망률 1위에 해당하는 치료가 어려운 질병으로 남아 있다.윤태종 교수 연구팀은 유전자 가위 기술을 이용해 새로운 췌장암 치료제를 개발했다. 유전자 가위 기술로 암세포의 유전자 변이 부분을 효과적으로 편집해 냄으로써 치료 효과를 높이는 방법이다. 연구팀은 그동안 유전자 가위 기술의 한계로 남아 있던 유전자 가위 단백질 소재의 혈관 내 분해 문제를 해결해 냄으로써 새로운 췌장암 치료제 개발에 성공했다. 그동안 치료제에 사용되는 유전자 가위 단백질 소재가 혈관 내에서 분해되면서 암 세포에 전달되기 어렵다는 점이 유전자 가위 단백질 소재 치료제 연구에 한계로 작용해 왔기 때문. 연구팀은 이같은 한계를 극복하기 위해 단백질 형태의 유전자 가위 물질을 나노 캐리어(LNP, 인지질 화합물로 이뤄진 150나노미터 크기의 구형체 입자로 내부에 다양한 물질을 탑재할 수 있고 생체 적합성이 우수)에 탑재하는 경우 매우 안정적으로 혈관 내에 존재하게 되고, 결국 암 세포에 표적 전달이 가능하다는 점을 활용했다. 이 방법을 이용하면 하나의 나노 캐리어 나노 입자에 두 가지의 유전자 변이(KRAS, P53)를 동시에 편집할 수 있으며, 치료 효과를 극대화할 수 있다.연구팀은 나노 캐리어 표면에 췌장암 표적을 위한 항체를 도입, 표적 항암제와 유사하게 췌장암 세포에만 유전자 가위 소재를 전달했다. 그리고 이 경우 부작용이 최소화되고 치료 효과를 극대화할 수 있음을 확인했다. 생체 내 실험(in vivo)에서 암 조직으로의 유전자 가위 소재 전달 효율은 60%에 달했으며, 동물 모델에서의 치료 효과도 대조군 대비 높았다. 나노 캐리어(LNP) 기술은 최근 코로나19 백신 개발에 활용되면서 빠르게 검증된 바 있다. 이에 윤태종 교수 연구팀은 이를 유전자 가위 기술에 접목함으로써 새로운 췌장암 치료제를 개발할 수 있었다. 나노 캐리어(LNP) 기술은 그동안 많은 연구가 진행되어 왔지만, 그 안정성에 대한 연구가 정체되면서 관련 연구 개발이 한계에 부딪혀 왔다. 그러나 최근 코로나 펜데믹으로 화이자와 모더나가 개발한 mRNA 탑재 나노 캐리어(LNP)의 나노 독성이 응급 임상 시험 가이드에 의해 빠르게 검증되면서 새로운 국면을 맞이했다.윤태종 교수는 “코로나19 백신이 빠르게 개발될 수 있었던 결정적 계기는 혈관 내에서 mRNA가 분해되지 않고 안정적으로 유지될 수 있게 하는 나노 캐리어(LNP) 기술의 접목”이라며 “단백질 형태의 유전자 가위 물질 역시 혈액 내에서 분해되기 쉬운 물질로 생체 내 전달 효율이 낮아 암치료제 개발에 어려움이 있었다”고 설명했다.그러나 새로이 개발된 나노 캐리어(LNP) 기술을 접목함으로써 유전자 변이에 따른 항암제 내성을 갖는 질병을 치료할 수 있는 방법을 찾게 되었다는 설명이다. 유전자 가위 기술을 이용한 치료제 개발에서 가위 역할을 하는 단백질 구조체는 혈액 내 안정성이 떨어진다. 이에 그동안 시험관 환경(in vitro) 또는 직접 주사 방식을 적용하는 질환에만 활용이 가능했다. 윤태종 교수는 “이제 유전자 가위 기술에 나노 캐리어(LNP) 기술을 접목함으로써 혈관 주사를 활용하는 방안이 가능해졌다”며 “보다 다양한 질병의 치료에 이를 적용할 수 있게 되어, 나노-유전자 편집 기술의 활용 범위가 확장될 수 있을 것으로 기대한다”고 덧붙였다. 윤태종 약학과 교수는 지난 20여년 간 다양한 바이오 물질을 효과적으로 세포나 조직에 전달할 수 있는 나노 바이오 분야를 연구해왔다. 최근에는 유전자 가위 기술의 한계로 지적되어 온 ▲낮은 체내 안정성과 세포 침투율 ▲국부 치료가 불가능하다는 문제점 등을 극복하고자 나노 기술을 접목하는 연구에 집중해 왔다. 윤 교수는 아주대학교 산학협력단 산하 엔포유기술지주회사의 자회사인 ㈜무진메디의 대표를 맡고 있다. 연구팀은 이 회사를 통해서 임상 시험을 진행할 계획이다.연구팀은 항암제 내성을 갖는 췌장암 동물모델에 LNP-유전자 가위 치료제를 혈관 주사한 이후, 젬시타빈 항암제를 병용 투여하여 치료 효과를 확인했다.
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- 작성일2022-01-07
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아주대 연구진이 생명체의 미세한 맥박이나 심장 박동수까지 정확하게 측정하는 손가락 모양의 초소형 로봇(그리퍼)을 개발했다. 작은 생명체 및 사람의 심혈관을 상처 없이 잡고 생체 신호를 모니터링할 수 있어 향후 바이오 메디컬 로봇으로 활용될 전망이다. 한승용·강대식·고제성 교수(사진 왼쪽부터, 기계공학과) 연구팀은 손의 기능을 모사한 밀리미터 크기(3~5mm)의 초소형 정밀 소프트 그리퍼 구현에 성공했다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 ‘다기능 소프트 그리퍼를 활용한 마이크로 크기의 생명체 생체 신호 측정(Vital signal sensing and manipulation of a micro-scale organ with a multifunctional soft gripper)’라는 제목으로 세계적인 로봇 분야 학술지 <사이언스 로보틱스(Science Robotics)> 10월13일자 온라인판에 게재됐다. 이번 연구에는 아주대학교 기계공학과 노연욱, 김민호 학생이 제1저자로 참여했다. 자연계에 존재하는 다양한 동, 식물의 그리퍼 중 사람의 손은 5개의 손가락을 독립적으로 움직일 수 있고 감각 세포가 집중되어 있어 잡은 대상을 섬세하고 정확하게 다루는 것이 가능하며 대상의 상태 구분도 가능하다. 4차 산업혁명 이후, 로봇 및 의료용 로봇 등 다양한 분야에서 사람의 손 기능을 모사하기 위한 많은 연구들이 진행되고 있다. 그러나 기존 그리퍼는 주로 단단한 물질로 만들어져 부드러운 대상을 잡기 어렵다는 문제가 있었다. 또한, 생체 신호를 수신하는 센서를 넣으면 그리퍼의 부피가 커져 크기가 작은 생물체를 잡는 데 한계가 있었다. 의료용 그리퍼의 경우에는 소형화된 그리퍼의 정밀한 컨트롤과 고민감도 센서와의 결합 및 측정을 위한 주변 전자장치와의 통합이 요구되었다. 연구팀은 단단함과 부드러움을 조절할 수 있는 가변강성 형상기억폴리머 소재를 사용해 생명체의 피부와 비슷한 성질의 그리퍼를 제작했다. 또한 은 나노선과 레이저 공정을 활용해 센서를 최소화함으로써 로봇의 크기를 5mm 이하로 줄였다. 은 나노선은 소프트 그리퍼의 5개 손가락을 독립적으로 정교하게 컨트롤하는 동시에 온도 센서로 활용되어 측정 대상에 대한 생체 신호 모니터링 및 열 자극도 전달할 수 있다. 연구팀이 개발한 소프트 그리퍼는 직경 3㎜ 정도의 달팽이알을 터트리지 않고 잡아 열을 가해 부화시키고, 부화 과정에서 발생하는 미세한 움직임 및 부화 직후 400∼600마이크로미터 크기인 달팽이의 심장 박동수도 측정했다. 또한 살아 있는 돼지의 혈관도 상처 없이 잡아 맥박을 재고, 터지기 쉬운 연어알을 손상 없이 잡는 작업도 성공했다. 무게가 25.4밀리그램인 소프트 그리퍼는 자체 무게보다 최대 6400배 무거운 물체를 순간적으로 들어 올리거나 1200배 무거운 물체를 지속해서 드는 작업도 성공적으로 수행했다. 한승용 교수는 “기존 그리퍼 연구는 잡은 대상의 신호를 측정 하는데만 그치지만, 이번 연구는 진단과 결과를 분석하여 잡은 대상에 치료를 제공할 수 있다”며 “의료용 초소형 로봇 개발 분야에 적용함과 동시에 많은 난제들이 쌓여있는 사람의 세포 레벨에서의 생명체의 기계적 움직임, 자극, 반응을 분석 할 수 있는 새로운 플랫폼으로 확장 될 수 있을 것”이라고 말했다. 이어 “후속 연구를 통해 전기적 자극, 약물 전달, 무선 동작 등 다양한 방향으로 확장할 계획”이라고 덧붙였다. 한편 이번 연구는 과기정통부 개인기초연구(신진연구) 사업의 지원을 받아 수행되었다.<소프트 그리퍼를 이용한 달팽이 부화 촉진 및 생체 신호 측정 과정><연구팀이 개발한 초소형 소프트 그리퍼><소프트 그리퍼를 활용한 연어알 및 물체 잡기 과정>
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- 작성일2021-11-29
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