[바이오하이브리드 로봇: 인간 세포로 만들어졌으며 기계 마음에 의해 제어된다] 조직 기반 바이오하이브리드 로봇 공학은 인간 건강, 의학 및 생물학의 기초 연구에 대한 추가적인 학제간 통찰력을 제공한다.https://singularityhub.com/2024/09/30/this-biohybrid-robot-is-made-of-human-cells-and-controlled-by-a-machine-mind/
바이오하이브리드 로봇: 인간 세포로 만들어졌으며 기계 마음에 의해 제어된다.
작은 실험실 연못에서 로봇 가오리가 지느러미를 펄럭이며 헤엄친다. 폭이 동전만한 크기로 몸집의 몇 배에 달하는 거리를 질주한다. 비슷한 디자인의 이전 마이크로봇보다 쉽게 모퉁이를 돌아다니며 훨씬 더 오래 수영할 수 있다.
그 비밀은 무엇일까? 로봇은 프로그래밍 가능한 전자 "뇌"에 의해 제어되는 살아있는 인간 유래 뉴런과 근육 세포의 바이오 하이브리드 혼합체이다. 세포는 지느러미가 있는 합성 “골격”을 덮고 있으며 우리 몸의 움직임을 유도하는 것과 같은 촘촘한 연결을 형성한다.
또한 자기 코일이 있는 무선 전자 회로도 탑재되어 있다. 회로는 로봇의 뉴런을 제어하여 활동을 강화하거나 약화시킨다. 차례로, 뇌 세포는 근육 섬유를 유발한다. 로봇은 가오리나 나비의 유연성을 이용해 지느러미를 따로 또는 함께 펄럭일 수 있다. 로봇이 움직이는 것을 보는 것은 매혹적이지만, 연구는 단지 멋진 시각적인 것에 관한 것이 아니다.
로봇은 민첩성을 높이고 에너지 사용량을 줄이기 위해 오랫동안 자연의 움직임 사례를 활용해 왔다. 현재 바이오하이브리드 로봇은 영양가 있는 화학 물질 수프에서만 생존하고 작동할 수 있다. 그러나 이전 설계와 달리 로봇은 이 분야를 "뇌-운동 경계"로 확장하고 "고급 적응형 모터 제어 및 학습이 가능한" 자율 시스템으로 이어질 수 있다고 연구 저자인 하버드 의과대학 신수련과 동료들은 썼다.
이 기술은 생물의학에 큰 도움이 될 수 있다. 콜로라도 볼더 대학의 니콜 쑤(Nicole Xu)는 생체와 호환되는 경우가 많기 때문에 "조직 기반 바이오하이브리드 로봇 공학은 인간 건강, 의학 및 생물학의 기초 연구에 대한 추가적인 학제간 통찰력을 제공한다"라고 썼다.
자연의 손길 과학자들은 오랫동안 최소한의 에너지를 사용하면서 다양한 지형을 탐색할 수 있는 부드럽고 민첩하며 유연한 로봇을 개발하려고 노력해 왔다. 이는 견고한 기계식 터미네이터와는 거리가 먼 것이다.
종종 그들은 자연에서 아이디어를 찾는다. 진화 덕분에 지구상의 모든 종은 생존에 맞춰 미세 조정된 운동 시스템을 가지고 있다. 날개를 퍼덕이는 나비 뒤의 두뇌 배선은 지느러미를 펼치는 대왕고래의 뇌 배선과 거의 유사하지 않지만 각 시스템은 다르지만 하나의 중심 개념이 모든 시스템을 연결한다.
각 종에는 움직임을 환경과 연결하고 자극에 빠르게 반응하는 시스템이 필요하다. 이는 살아있는 생물에게는 자연스러운 일이지만, 로봇은 예상치 못한 문제에 직면할 때 종종 비틀거린다.
쑤는 “동물은 일반적으로 생물학적 적응을 촉진하는 진화적 압력 때문에 로봇에 비해 향상된 에너지 효율성, 민첩성, 손상 내성 등 더 높은 성능을 가지고 있다.”라고 썼다.
과학자들이 생체 영감을 받은 로봇을 설계하기 위해 자연을 찾는 것은 놀라운 일이 아니다. 가장 좋아하는 두 마리는 가오리와 나비인데, 둘 다 지느러미나 날개를 퍼덕이는 데 에너지를 거의 사용하지 않는다.
작년에 한 팀은 합성 하이드로겔을 사용하여 나비와 같은 수중 로봇을 설계했다. 빛을 컨트롤러로 사용하여 날개를 퍼덕여 위쪽으로 헤엄칠 수 있다. 대부분이 실리콘인 또 다른 미니봇은 머리핀을 닫을 때와 같이 "찰칵"하는 동작을 통해 빠른 속도로 떼 지어 움직인다.
두 로봇 모두 완전히 엔지니어링된 재료를 사용했으며 빛이나 압력과 같은 자극을 감지하고 로봇의 움직이는 구성 요소를 변경하는 액추에이터가 필요했다. 성공하더라도 실패하는 경우가 많다.
두뇌와 기계의 만남 바이오하이브리드 로봇을 만나보자. 이러한 로봇은 생물학적 액추에이터를 사용하여 신체에서 사용되는 다양한 유형의 에너지를 쉽게 변환한다. 예를 들어 전기나 빛을 자동으로 화학 에너지로 변환한다.
이 전략은 근육 조직을 사용하여 외부 광원을 사용하여 앞으로 헤엄치고 회전하는 광선형 로봇을 포함하여 성공을 거두었다. 여기에서 빛 제어 로봇은 빛의 섬광에 반응하도록 유전적으로 조작된 단일 층의 쥐 심장 세포를 가지고 있었다. 순수 합성 재료로 제작된 바이오봇에 비해 훨씬 더 오래 수영할 수 있다.
새로운 연구는 뇌 세포를 혼합물에 추가함으로써 이 접근 방식을 한 단계 더 발전시켰다. 뉴런은 근육 세포와 복잡한 연결을 형성하여 근육을 구부릴 때 지시한다.
연구팀은 보트에 유도만능줄기세포(iPSC)를 사용했다. 과학자들은 피부 세포를 줄기 세포와 같은 상태로 되돌린 다음 이를 밀어서 다른 세포 유형을 형성함으로써 이러한 세포를 만든다. 이 경우, 그들은 운동 뉴런, 근육 운동을 지시하는 뇌 세포, 그리고 심장 박동을 유지하는 것과 유사한 근육 세포를 성장시킨다. 세포는 페트리 접시에 연결되어 뉴런이 근육 수축을 제어할 수 있다.
연구팀은 살아있는 세포를 손에 쥐고 로봇의 두 가지 주요 구성 요소를 조립했다. 첫 번째는 탄소 나노튜브와 젤로의 주성분인 젤라틴으로 만든 얇은 필름 비계에 뉴런과 근육 세포를 내장하고 로봇의 몸체와 지느러미 모양을 만든다. 다른 하나는 자기 자극을 이용해 무선으로 보트를 제어해 뉴런의 전기적 활동을 변화시켜 활동을 늘리거나 줄이는 '인공뇌'다.
신경봇 여러 테스트에서 팀은 바이오하이브리드 보트가 수영장을 탐색할 때 동작을 제어할 수 있음을 보여주었다. 여러 주파수를 사용하여 각각 왼쪽 또는 오른쪽 지느러미의 뉴런을 활성화하여 보트를 직선으로 쉽게 조종하고 회전했다.
입력에 따라 보트는 단일 지느러미, 두 지느러미 또는 대체 지느러미를 펄럭일 수도 있다. 후자는 더 긴 수영을 위해 체력을 높였다. 이는 카약에서 팔을 번갈아 가며 사용하는 것과 비슷하다.
봇의 뉴런과 근육 세포는 전기에만 의존하여 데이터를 전송하는 일종의 연결을 형성함으로써 팀을 놀라게 했다. 일반적으로 시냅스라고 불리는 이러한 연결에는 통신을 연결하기 위해 추가 화학적 전달자가 필요하며 단방향이다.
이와 대조적으로 로봇에 형성된 네트워크는 양방향으로 더 빠르고 오랫동안 데이터를 전송할 수 있으며, 표준 화학적 시냅스보다 최대 150초 또는 약 7.5배 더 긴 시간 동안 근육을 제어할 수 있다. 그리고 합성 재료만 사용하는 생체모방 시스템에 비해 바이오하이브리드 보트는 에너지 요구량을 대폭 줄였다.
현재 미니봇은 영양이 풍부한 화학 물질 수프에서만 생존할 수 있다. 그러나 그들은 살아있는 구성 요소가 전자 장치 및 비생물학적 비계와 원활하게 통합될 수 있음을 보여준다. 살아있는 로봇은 뇌와 근육과 관련된 질병을 연구하거나 새로운 약물 치료법을 테스트하기 위한 차세대 오가노이드 온 칩을 형성할 수 있다. 표준 화학적 시냅스보다 구현하기 쉬운 순수 전기 연결을 사용하면 바이오하이브리드 로봇의 생산 규모를 확대하는 데 도움이 될 수 있다.
“이 생체 전자 신경근 로봇 수영 선수의 출현은 적응형 운동 제어, 감지 및 학습을 달성할 수 있는 자율 바이오하이브리드 로봇 시스템을 구축할 수 있는 잠재적인 개척지를 제시한다.”라고 팀은 썼다.
이미지 제공: 테츠카 히로유키
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