첨단 의료용 로봇 연구 - eeic.or.kr · 색)이구조체를 끌고 암조직 (보라색...

40·공학교육

Part 3 우수 연구실 소개공학교육의 현장

고 성 영

전남대학교기계공학부교수sko@jnu.ac.kr

카이스트 박사카이스트 박사후연구원영국 임페리얼 컬리지 연구원 전남대학교 조교수

현) 전남대학교 기계공학부 교수관심분야: 의료용 로봇, 지능형 로봇

첨단 의료용 로봇 연구 - 전남대 로봇연구소 -

첨단의료용로봇연구의발전기술의발전의끝은어디일까? 이를향한도전의일환으로최근다양한지능형로봇들이쏟아지고있다. 사람

들의일을도와주는가정용로봇부터, 재난환경과같이위험한환경에사람대신들어가구조작업을수행하는

로봇, 적군으로의침투나야간경계를서는군사용로봇, 의사를대신하거나도와주는의료용로봇까지기존의

조립공장이나페인트공장에서단순반복적인일을수행하던산업용로봇을벗어나다양한환경에적용된여

러가지종류의로봇들이한참개발중이다.

여기서최근가장큰주목을받는분야중하나는의사를대신하여수술을진행하거나수술중다양한정보를

제공하여의료진이더욱안전하고완벽한수술을진행할수있도록도와주는의료용로봇분야이다. 의료용로

봇의시작을살펴보면약30여년전인1985년산업용로봇을개조하여뇌속에의특정위치에수술도구를정확

하게삽입시키는시도를했다고보고되고있으며, 그이후에 1990년초에도산업용로봇을개조하여전립선을

제거하는 로봇이 개발되었다고 보고되고 있다. 그 이후에 실제로 상품화가 된 수술용 로봇으로는 미국

Integrated Surgical Systems의ROBODOC System으로고관절(대퇴골과골반뼈를잇는관절)을인공임플란트

로치환하기위한삽입공간을가공하는로봇시스템이었다. 그이후실질적으로산업적으로크게성공을거둔

수술용로봇으로는최근까지도널리쓰이고있는미국의 Intuitive Surgical에서개발한Da Vinci 시스템이다. Da

Vinci 시스템은작은구멍을통해손가락굵기의수술도구 3~4개를삽입하여수술이진행되는최소침습형복

강경수술로봇으로수술이더욱쉽고효과적으로진행시킬수있도록해주면서크게인기를끌고있다.

미국에서개발된Da Vinci 시스템이산업적으로크게성공하면서, 전세계적으로다양한형태의의료용로봇,

수술용로봇이개발되기시작하였으며, 그분야도뇌수술용로봇, 정형외과수술용로봇, 복강경보조로봇, 복강

경수술용의료로봇, 캡슐형내시경로봇, 단일경로최소침습수술로봇, 중재치료용수술로봇, 마이크로/나노

크기의초소형로봇등점점다양화되고있다.

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첨단 의료용 로봇 연구 - 전남대 로봇연구소 -

첨단의료용로봇연구의첨병전남대학교로봇연구소

전세계적으로치열한경쟁을하고있는첨단의료

용로봇분야에서, 국내에서는전남대학교로봇연구

소가가장활발한연구성과로주목을받고있다. 전남

대기계공학부의박종오교수가이끄는로봇연구소

는같은학부의박석호교수와본글의저자인고성영

교수와함께크게세가지연구분야 - 마이크로로봇

분야와의료용로봇분야, 지능형로봇분야에서다양

한연구를수행하고있다. 특히마이크로의료로봇분

야는국내에서가장앞선기술을보유하고있으며, 세

계적으로도그경쟁력을인정받고있다. 국내외유수

의로봇관련연구소들과글로벌리서치네트워크를

형성하여세계적인연구동향을교류하고접목시킴

으로써세계적인수준의연구성과를꾸준히도출해

내고있다. 전남대로봇연구소는또한국내외우수한

대학, 기업및연구소와의지속적인공동연구를수행

하고있으며, 국내로봇분야에서대학내의연구소중

에서는최대규모의연구장비및시설을보유하고있

으며, 연구인력규모역시 24명의석박사과정학생들

과 11명의전임연구원, 6명의행정원등을포함하여

40여명에이르는등대학연구소최대규모를이루고

있다.

이러한훌륭한연구인프라를바탕으로전남대로

봇연구소에서는혈관치료용마이크로로봇, 박테리

아기반나노로봇, 원격뇌수술로봇, 관절수술로봇

지능제어시스템, 로보틱카우치, 케이블로봇과마이

크로/나노액추에이터개발등의연구가활발히진행

되고있다.

혈관치료용마이크로로봇은직경1mm, 길이10mm

정도의크기를갖는초소형로봇이혈관속을이동하

며막힌혈관을뚫어주고상처부위약물을도포하는

형태의치료를수행하는의료용마이크로로봇이다.

크기가작기때문에로봇의배터리와같은동력원을

로봇에탑재할수없을뿐아니라수mm의직경밖에

안되는인체의혈관속에삽입되기때문에동력을전

달하기위한전선을사용하기어렵다는제한사항과

조작에대한어려움이따른다. 이를위한해결책으로

자기장을로봇의동력원으로이용하여외상없이인

체를통과하여외부로부터전자기장에너지를공급

해인체의혈관속에서도로봇을구동할수있을뿐아

니라마이크로로봇을혈관속에서도자유자재로조

작할수있는전자기장구동시스템을제작하였다. 또

한혈관지도용내비게이션시스템을개발하여인체

내에마이크로로봇의위치를실시간으로확인하며

제어할수있다. 그림 1은혈관지도용내비게이션시

스템의화면으로인체내의마이크로로봇위치를실

시간으로알려주기위한장치이며, 그림 2는혈관치

료용마이크로로봇을이용하여실제수술방환경에

서동물시험을수행하는장면이다.

박테리아기반나노로봇(이하박테리오봇)은로봇

그림 1. 혈관치료용 마이크로로봇용 내비게이션 시스템

그림 2. 세계 최초 동물 실험 성공

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Part 3 우수 연구실 소개공학교육의 현장

을구동하기위해모터와같은전자기적인구동기가

아닌박테리아같은유기체를이용하여, 암을치료하

는약물을담고있는마이크로단위의캡슐을이동시

켜암을치료하는새로운개념의로봇이다. 박테리오

봇은암을치료할수있는약물을 50um~100um 크기

의구조체용기에담아암이분비하는물질을감지하

여암세포를찾아가는성질(주화성)을갖는박테리아

들을구조체용기에부착시키고박테리아의운동성

을이용하여구조체용기를암세포로이동시킨후약

물을도포하여암을치료하는신개념의나노로봇이

다. 그림 3은박테리오봇의개념도로서, 약물을담은

구조체(밝은노란색의구형체)에붙은박테리아들(녹

색)이구조체를끌고암조직(보라색)을향하고있다.

원격뇌수술로봇은국내최초의뇌수술로봇이다.

의사가원격에서조종을할수있는마스터장치와원

격에서의사의명령을받아실제수술을수행하는슬

레이브로봇으로구성된마스터-슬레이브형태의구

조로개발되었다. 즉, 의사가편안하게마스터조종장

치를움직이면원격(또는근거리)의로봇팔이조종

장치의움직임을따라가도록개발되었다. 그림 4와

같이로봇을삽입하기위하여직경 20mm 의구멍을

낸뒤, 그구멍안으로로봇의삽입부를넣은뒤, 종양

제거수술을원격으로진행하게된다. 종양을제거하

기위한기존수술처럼두개골을 5~10cm정도로크게

열지않고작은구멍만을내어수술할수있어기존수

술보다수술후회복시간이빠를뿐아니라흉터가

크지않아미용에도도움이된다. 수술로봇의삽입부

끝단에는의사의조작대로움직여종양을제거시켜

줄수있는집게손같은로봇팔과피와이물질을제

거할수있는흡입장치가있으며스테레오내시경이

부착되어있어의사가실제환부를보는것같은 3차

원영상을제공받아그림 5와같이직접환부를육안

으로보는것같은수술환경을제공해줄수있을뿐

아니라영상유도기술과증강현실이결합되어로봇

이안전영역을벗어나거나중요한장기를건드리거

나손상시키지못하도록정보를제공하여수술의안

전성을높일수있다.

그림 3 . 박테리오봇 개념도, 약물을 담은 구조체에 붙은 박테리아들이 구조체를 끌고 암조직을 향하고 있다

그림 4. 작은 포트로 삽입되는 원격 뇌수술 로봇

그림 5. 원격 뇌수술 로봇을 집도하고 있는 의료진

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첨단 의료용 로봇 연구 - 전남대 로봇연구소 -

다음으로, 골절정복용수술로봇시스템이개발되

고있다. 골절정복수술이란대퇴골이나정강이뼈등

길이가긴뼈가부러진경우이들의상대적인위치를

잘맞춰서(정복이라함) 고정시킴으로써골절된뼈를

치료하는수실기법이다. 기존에는부러진부분을모

두열어서뼈를퍼즐맞추듯이맞췄다면최근에는작

은부위만절개한뒤, 피부조직내부에서작업을수행

하면서미용적인측면이나시술후결과가크게향상

되었다고보고되고있다. 하지만, 보이지않는피부조

직안에서작업을하기때문에지속적인 x-ray에노출

되게되고, 이러한작업을수행하기위하여보조의들

이수시간동안다리를들고맞추고하는작업을진행

하게된다. 골절정복수술중환자의골절된다리를

정렬시키고유지시키는것과같이의사의육체적부

담이나피로도가쉽게쌓이는수술작업, 정밀함이요

구되는수술작업그리고방사능의피폭이노출되어

지는작업들을로봇으로대체하는연구가최근진행

중이다. 전남대로봇연구소에서는의사는로봇에달

린조종용센서와내비게이션장치를이용하여로봇

을직접조작하여적은힘으로도환자의무거운다리

를들어서정밀하고안전하게부러진부위를정렬시

키고움직이지않도록유지시킬수는로봇시스템을

개발하고있다. 또한원격조종기술을이용하여방사

능의피폭을최소화하였다. 그림 6은골절정복용수

술로봇으로핸들을잡고쉽게조종이가능하도록개

발된골절정복용수술시스템의개념도와실제개발

모습이다.

마지막으로로보틱카우치에대해서설명하지면,

최근에는최소침습적시술을넘어 x-ray나중입자빔

을이용하여암치료법도많이사용되고있다. 이를위

그림 6. 핸들을 잡고 쉽게 조종가능한 골절 정복용 수술로봇의개념도(위)와 실제 제작된 모습(아래)

그림 7. 로보틱 카우치의 개념도(위)와 실제 제작된 모습(아래)

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Part 3 우수 연구실 소개공학교육의 현장

해서는 x-ray 빔의방향과중입자빔의방향을정확하

게암과같은환부에위치시켜야치료성능을극대화

시킬수있으며, 특히시술중에환자의움직임이나호

흡등에의한장기움직임으로인하여부정확성이발

생하게된다. 이러한문제를해결하기위하여종양의

위치를지속적으로추종하면서빔의방향을실시간

으로수정해주는시스템들도개발이되어왔다. 하지

만, x-ray 빔과같이상대적으로그크기가작은장비

의경우로봇시스템이 x-ray 빔자체를들고움직일

수있지만, 양성자나중성자의빔을발생시키는장치

는매우거대하여움직이는것이불가능하고, 빔의방

향을바꾸는갠트리시스템도통상수백톤에이르는

등빔의방향을바꾸는것이매우어렵다. 이러한상황

을해결하기위하여본로봇연구소에서는그림 7과

같이고정된빔에환자를부드럽게이동시켜맞춤으

로써수술결과를향상시키도록개발하고있으며, 호

흡보상이나로봇의처짐등의불확실성을보상하기

위한알고리즘도개발하고있다.

앞에서설명한바와같이로봇연구소에서는다양

한의료용로봇, 마이크로의료로봇등의개발을진행

하고있으며, 개발중인시스템모두세계적인연구성

과로인정받고있다. 이뿐만아니라, 세포조작용마

이크로로봇, 능동구동캡슐내시경, 새로운개념의초

소형구동기, 넓은작업공간을갖는케이블기반병렬

형로봇등첨단의료로봇및지능로봇의개발에박차

를가하고있다. 앞으로도더욱발전하는로봇연구소

는미래의로봇기술을한단계빠르게현실화시키는

데있어서첨병역할을할것으로기대하고있다.

그림 8. 로봇연구소 교수진, 연구원, 학생들과 함께