'눈 달린 마이크로 로봇' 외과 수술의 미래 바꾼다…자가 교정 마이크로 로봇 개발

▲ 마이크로 로봇의 구성 예시

 

영국 임페리얼 칼리지 런던(ICL)과 글래스고대 공동 연구팀이 스스로 움직임을 감지하고, 수정할 수 있는 마이크로 수술 로봇 기술을 개발했다.

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이 마이크로 로봇은 내장된 소형 카메라와 내부 시각 추적 기술을 통해 실시간으로 자가 교정이 가능하다. 기존 마이크로 로봇과 달리 외부 센서의 도움을 받을 필요가 없다는 게 연구팀의 설명이다.

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종이접기에서 영감을 받은 이 로봇은 온보드 폐쇄 루프 제어 시스템을 채택해 외부 간섭에도 불구하고, 마이크로미터(μm) 수준의 정확도와 안정성을 달성한 것으로 전해졌다. 이번 혁신은 마이크로 로봇 시스템에 내부 시각 피드백이 적용된 첫번째 사례로, 인체 깊숙이 접근하여 자율적으로 작동하는 소형 수술 도구 개발의 새로운 가능성을 제시했다.

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연구팀에 따르면, 마이크로 수술 분야에서 1마이크론 단위의 정밀성을 확보하는 것은 로봇 수술에 중대한 영향을 미치는 요소다. 기존 마이크로 로봇의 정밀한 움직임은 환경적 요인, 사용자(의사) 미세한 떨림, 기존 액추에이터의 한계 등으로 인해 복잡한 문제를 겪었다.

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강력한 힘과 반응성을 자랑하는 '압전 빔'조차 로봇 움직임을 실시간으로 알려주는 장치가 없으면 원하는 위치에서 조금씩 벗어나거나 정확도가 떨어지는 문제가 생긴다. 대부분의 마이크로 시스템은 외부 카메라나 변형 센서에 의존했으나, 이는 부피 증가 및 배선 문제로 이어져 특히 최소 침습 수술 적용에 걸림돌로 작용한다. 이로 인해 안정적이고 자율적인 마이크로 로봇 제어를 위한 경량, 고해상도의 내부 피드백 시스템 개발이 절실히 요구되어 왔다.

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임페리얼 칼리지 런던과 글래스고대 연구팀은 완전한 온보드 시각 피드백을 활용하여 모션을 제어하는 마이크로 로봇을 최초로 개발했다고 발표했다고 밝혔다. 이번 연구 결과는 전문 학술지인 '마이크로시스템즈 & 나노엔지니어링(Microsystems & Nanoengineering)' 저널에 게재되었다.(논문 제목: Onboard visual micro-servoing on robotic surgery tools)

▲델타 마이크로 로봇의 분해도

▲ 세포 수준의 수술 중 감지 능력

 

연구팀은 내장형 내시경 카메라와 내부 시각 추적용 '에이프릴태그(AprilTag)' 마커를 활용한 압전 구동 델타 로봇을 선보였다. 이 방식은 외부 감지 하드웨어를 제거하고 독립 시스템 내에서의 폐쇄 루프 모션 보정을 가능하게 하여, 컴팩트한 설계와 정밀한 제어를 통해 차세대 마이크로 수술 도구에 새로운 가능성을 열었다는 평가다. 압전 빔은 로봇의 동작을 발생시키는 액추에이터 역할을 수행하고, 미니어처 카메라 및 시각 추적 시스템은 로봇의 시각 기능과 스스로 오류를 감지하고 고치는 피드백 역할을 수행하는 것이다.

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이 마이크로 로봇은 델타 메커니즘과 종이접기 구조에서 영감을 받아 3D 프린팅 가능한 프레임워크에 압전 빔을 통합해 작동한다.

▲인간 눈의 병변 조직 절제를 위한 레이저 수술 적용 사례

연구팀은 기존 관절을 유연한 굴곡 기반 요소로 대체하여 3자유도에서 정확하고 백래시(backlash) 없는 동작을 구현했다. 로봇 플랫폼 하단에 내장된 소형 보어스코프(내부 촬영용 카메라)는 실시간으로 에이프릴태그 기준을 추적하며 피드백을 제공한다. 이 온보드 이미지는 PID(비례-적분-미분) 기반 제어 시스템에 활용되어 로봇의 움직임을 지속적으로 조정하고 프로그래밍된 경로를 따르며, 중력과 같은 외부 방해 요소를 보정하는 데 기여했다.

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이번에 개발된 마이크로 로봇은 높은 반복성으로 복잡한 3D 궤적을 추적할 수 있는 능력을 제공한다. 평균 제곱근 운동 정확도 7.5μm, 정밀도 8.1μm, 해상도 10μm를 달성했다.

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특히 폐쇄 루프 시스템은 특히 외부 힘이 가해질 때 개방 루프 제어 방식보다 일관되게 우수한 성능을 나타냈다. 또한 하중 조건에서도 복원력을 입증했으며, 의도적인 교란에도 궤적 안정성을 유지했다.

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이 솔루션은 기존 마이크로 매니퓰레이터와 비교해 온보드 센싱, 제작 용이성, 수술 적응성을 독자적으로 결합한 것으로 평가됐다. 특히 자율 모션 보정을 위한 컴팩트한 내부 시각 피드백을 통합한 첫 시스템으로, 마이크로 규모 작동 도구에 전례 없는 수준의 자율성과 제어 능력을 제공한다는 분석이다.

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수석 저자인 쉬 첸(Xu Chen) 박사는 "이번 개발은 마이크로 로봇 분야의 패러다임 전환을 의미한다"며 "우리의 접근 방식은 수술용 마이크로 로봇이 외부 인프라에 의존하지 않고 스스로 움직임을 추적하고 조정할 수 있도록 하며, 로봇에 비전을 직접 통합함으로써 실제 의료 응용 분야에 중요한 높은 신뢰성, 휴대성, 정밀성을 달성할 수 있도록 해준다"고 말했다. 이 기술이 인체 내에서 독립적으로 작동해야 하는 미래 수술 도구의 새로운 표준을 제시할 것이라고 덧붙였다.

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로봇의 소형화 및 자가 조절 설계는 카테터 탐색이나 레이저 조직 절제술 등 최소 침습 수술에 이상적이다. 내부 카메라 시스템은 외부 장비 의존도를 없애 제한된 공간, 멸균 환경, 전자기 노이즈가 있는 환경에서도 활용 가능성을 높였다.

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연구팀은 향후 카메라 프레임 속도 향상 및 첨단 깊이 추적 기능을 통해 로봇의 반응성과 z축 해상도를 더욱 개선할 계획이다. 센티미터 이하 크기까지 로봇의 크기를 줄일수 있는 이 로봇 플랫폼은 내시경, 신경외과 등 다양한 분야의 도구 지원 잠재력을 갖추고 있다. 특히 내부 자가 교정 기능은 고정밀 로봇 수술의 휴대성, 신뢰성, 접근성을 높이는 미래를 앞당길 것으로 전망된다.

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