KR101709574B1

KR101709574B1 - 생체 내에서 이동 가능한 마이크로 로봇

Info

Publication number: KR101709574B1
Application number: KR1020150084984A
Authority: KR
Inventors: 김진석; 김민준; 정진우; 문효원; 유진; 진주영; 김태형; 장지은
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2015-06-16
Filing date: 2015-06-16
Publication date: 2017-02-24
Also published as: KR20160148246A

Abstract

생체 내에서 이동 가능한 마이크로 로봇으로서, 강자성체인 코어와, 상기 코어를 감싸고, 생체 적합성 물질로 이루어진 표피를 포함하고, 자기장 내에서 상기 코어에 가해지는 자기력에 의해 위치 제어된다.

Description

생체 내에서 이동 가능한 마이크로 로봇{In-vivo moving micro robot}

본 발명은 마이크로 로봇에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 생체 내에 삽입되어 생체 내에서 이동 가능한 마이크로 로봇에 관한 것이다.

환자가 검사나 치료 과정에서 2차 피해를 겪는 것을 최소화하기 위해, 생체 내에 직접 삽입되어 구동하는 마이크로 로봇이 제안되고 있다.

하지만, 종래의 생체 내 이동형 로봇은, 로봇 자체에 구비된 액츄에이터 등을 이용해 이동하거나, 장의 움직임에 의해 수동적으로 이동하므로, 생체 외부에서 그 위치를 적절히 제어하기가 어렵다.

또한, 종래의 로봇은 생체 친화적이지 못해 생체 내에서 이물질로 인식될 뿐이므로, 환자에게 불편을 초래할 수 있다.

나아가, 로봇의 크기의 한계로 인해 다양한 작업을 수행할 수 있는 도구를 탑재하기가 어려워, 카메라 등을 이용해 생체 내부를 촬영하는 기능을 수행하는데 그치고 있는 실정이다.

한국 특허공개 제10-2003-0039221호

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 생체 친화적이고, 구조가 간단하며, 다양한 도구를 탑재해 다양한 작업을 수행할 수 있는 생체 이동형 마이크로 로봇을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 생체 내에서 이동 가능한 마이크로 로봇으로서, 강자성체인 코어와, 상기 코어를 감싸고, 생체 적합성 물질로 이루어진 표피를 포함하고, 자기장 내에서 상기 코어에 가해지는 자기력에 의해 위치 제어되는 마이크로 로봇이 제공된다.

또한, 상기 마이크로 로봇은 상기 표피 상에 고정되며, 생체 내에서 소정의 작업을 수행하는 엔드 이펙터를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 엔드 이펙터는 물체를 파지하기 위한 그리퍼이고, 상기 그리퍼는 가요성인 평평한 몸체와, 상기 몸체의 표면 일부에 도포되는 굴절체를 포함하고, 상기 굴절체가 수축 또는 팽창함에 따라 상기 굴절체가 도포된 영역에서 상기 몸체가 구부러지도록 형성될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 굴절체는 빛에 의해 수축하는 성질의 광반응성 물질로 형성되고, 빛이 조사되면 상기 굴절체가 수축하여, 상기 굴절체가 도포된 방향으로 상기 몸체가 구부러진다.

일 실시예에 따르면, 상기 굴절체는 열에 의해 팽창하는 성질의 열반응성 물질로 형성되고, 열이 가해지면 상기 굴절체가 팽창하여, 상기 굴절체가 도포된 방향의 반대방향으로 상기 몸체가 구부러진다.

일 실시예에 따르면, 상기 엔드 이펙터는 탈부착이 가능하다.

이를 위해, 일 실시예에 따르면, 상기 엔드 이펙터의 배면에는 자석이 형성되고, 상기 자석과 상기 코어가 작용하는 자기력에 의해 상기 엔드 이펙터가 표피 상에 부착되도록 할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 마이크로 로봇은 약물을 함유한 캡슐을 부착하여 이동한다.

일 실시예에 따르면, 상기 마이크로 로봇은 상기 표피 상에 고정되며, 생체 내에서 소정의 작업을 수행하는 엔드 이펙터를 더 포함하고, 상기 캡슐은 상기 엔드 이펙터에 부착된다.

일 실시예에 따르면, 상기 표피의 외부에는 상기 마이크로 로봇의 회전 운동을 유도하기 위한 나선형 날개가 형성된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 로봇을 개념적으로 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 마이크로 로봇의 단면도이다.
도 3은 도 1의 마이크로 로봇에 엔드 이펙터가 부착된 모습을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 그리퍼의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 4(a)의 실시예에 따른 그리퍼를 동작시키는 모습을 도시한 것이다.
도 6은 엔드 이펙터인 그리퍼를 이용해 물체를 파지하고 있는 모습을 도시한 것이다.
도 7은 마이크로 로봇이 이송하는 캡슐의 단면도를 개념적으로 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 엔드 이펙터를 구비한 마이크로 로봇을 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 엔드 이펙터를 구비한 마이크로 로봇을 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시에에 따른 마이크로 로봇의 모습을 도시한 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용은 제한되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 로봇(1)을 개념적으로 도시한 것이고, 도 2는 마이크로 로봇(1)의 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 마이크로 로봇(1)은 전체적으로 유선형의 캡슐 형태를 가지며, 중앙에 위치하는 코어(10)와, 상기 코어(10)를 외부에서 감싸는 표피(20)를 포함한다.

나아가, 도 2에 도시된 바와 같이 마이크로 로봇(1)은 코어(10)와 표피(20) 사이에 위치하는 비중 분리층(21)을 포함할 수 있다.

마이크로 로봇(1)은 생체 내 혈관 등에 삽입되어 이동 가능할 정도로 작은 크기로 형성된다.

표피(20)는 PDL, Dextran, BSA 등 생체 적합성 고분자 물질로 이루어지며, 코어(10)의 둘레를 완전히 감싼다. 도 1에는 표피(20)에 다수의 구멍이 형성된 것으로 도시되어 있지만, 표피(20)는 마이크로 로봇(1)의 내부가 보이지 않도록 코어(10) 외부를 완전히 코팅하도록 형성될 수 있다.

비중 분리층(21)은 예를 들어 폴리스티렌(plystyrene)과 같은 폴리머로 이루어지며, 마이크로 로봇(1)의 전체 비중이 생체 내의 혈액 등의 비중과 실질적으로 동일해질 수 있도록 해준다. 비중 분리층(21)을 통해 마이크로 로봇(1)의 생체 내 이동 및 자세 제어 등이 용이해질 수 있다.

본 실시예에 따른 표피(20)는 생체 적합성 물질로 이루어져 있으므로, 생체 내부에 삽입되었을 때 생체 내에서의 면역 반응을 최소화할 수 있다.

코어(10)는, 예를 들어 산화철과 같은 강자성체 덩어리로 이루어진다. 강자성체인 코어(10)는 외부 자기장이 없을 때도 물질 내의 여러 구역에 강한 자기 쌍극자 모멘트의 정렬 상태를 만든다. 외부에서 인가되는 외부 자기장은 상기 구역의 자기 쌍극자 모멘트를 자기장 방향으로 정렬시켜 강한 자기장을 만든다.

이때 외부 자기장이 균일하지 않다면 강자성체는 자기장이 큰 영역으로 끌려간다.

본 실시예에 따른 마이크로 로봇(1)은 이러한 자기장 내에서 강자성체인 코어(10)에 가해지는 자기력을 추진력으로 하여 위치 이동이 가능하다.

마이크로 로봇(1)의 외부에 자석을 배치하고 자석의 자세를 변화시킴으로써, 자기장을 변화시키고, 이러한 자기장 영역 안에서 부유하는 마이크로 로봇(1)은 자기장의 변화에 따라 선형 이동 및 회전 이동이 가능하다.

마이크로 로봇(1)을 환자 몸 안에 삽입하고, 환자를 자기장 발생 장치 안에 위치시킨 상태에서, 자기장을 발생시켜 환자 몸 안의 마이크로 로봇(1)의 위치를 제어함으로써, 마이크로 로봇(1)을 생체 내에서 이동시키며 소정의 작업을 수행할 수 있게 된다.

이때, 상기 자기장 발생 장치는, 자기력을 이용하는 자기공명장치(MRI) 등과 병행하여 이용될 수 있을 것이며, MRI 장비를 통해 환자 몸속을 관찰하며 마이크로 로봇(1)의 위치 및 동작을 제어하는 것도 가능할 것이다.

본 실시예에 따른 마이크로 로봇(1)은 복잡한 기계 구성을 구비하지 않아도 되므로, 소형화가 가능하다.

또한, 외부 자기장 조절을 통해 생체 내에서 제어하므로, 여러 대의 마이크로 로봇(1)을 동시에 제어하는 군집 제어가 가능해진다.

한편, 본 실시예에 따른 마이크로 로봇(1)은 생체 내에서 다양한 작업을 수행할 수 있도록 소정의 작업을 수행할 수 있는 엔드 이펙터를 구비한다.

도 3은 마이크로 로봇(1)에 엔드 이펙터가 부착된 모습을 도시한 것이다. 본 실시예에 따르면, 상기 엔드 이펙터는 소정의 물체를 파지하기 위한 그리퍼(30)이다. 그리퍼(30)는 마이크로 로봇(1)의 표피(20) 상에 고정 부착된다.

도 4는 본 실시예에 따른 그리퍼(30)의 구조를 설명하기 위한 도면이다.

도 4(a)에 도시된 바와 같이, 그리퍼(30)는 가요성의 평평한 형태의 몸체(31)와, 상기 몸체(31)의 전면 일부에 도포되는 두 개의 굴절체(32)를 포함한다.

본 실시예에 따른 굴절체(32)는 예를 들어, 피엠엠에이-아조벤젠(PMMA-Azobenzene)과 같이, 빛(UV)을 조사하면 수축하는 성질의 광반응성 물질로 형성된다.

도 5는 본 실시예에 따른 그리퍼(30)가 동작하는 모습을 도시한 것이다.

도 5(a)에 도시된 바와 같이, 평평한 형태를 유지하는 그리퍼(30)에 빛을 조사하면, 굴절체(32)가 수축하게 되고, 가요성인 몸체(31)는 굴절체(32)가 도포된 위치에서 굴절체(32)가 도포된 앞쪽 방향으로 구부러지게 된다.

가해지는 빛은 제거하면, 굴절체(32)는 원 상태로 팽창하여 몸체(31)가 다시 평평하게 펴지게 된다. 이와 같은 동작을 통해서, 캡슐(C) 등의 물체를 파지하거나, 파지하였던 물체를 놓을 수 있다(도 6 참조).

인가되는 자기장을 분석하거나 MRI 장비 등을 통한 관찰을 통해, 생체 내에서의 마이크로 로봇(1)의 위치를 알 수 있으므로, 마이크로 로봇(1)의 위치에 생체를 투과할 수 있는 레이저 광 등을 조준 조사하여 생체 내에서 그리퍼(30)의 동작을 제어할 수 있다.

한편, 본 실시예에 따른 그리퍼(30)는 탈부착이 가능하게 형성된다.

다시 도 4(a)를 참조하면, 몸체(31)의 배면 중앙에는 자석(33)이 부착되어 있다.

자석(33)은 강자성체인 코어(10)에 자기력에 의해 부착될 수 있어, 자석(33)과 코어(10) 사이에 작용하는 자기력에 의해 그리퍼(30)가 표피 상에 고정될 수 있다. 위와 같은 구성에 의해 엔드 이펙터를 간단하게 탈부착하는 것이 가능하다.

본 실시예에 따르면, 그리퍼(30)를 동작시키기 위해 빛을 조사하면 수축하는 성질의 광반응성 물질을 이용하였지만 이에 한정되지는 않는다.

예를 들어, 나이팜(Nipamm)과 같은 열에 의해 팽창하는 성질의 열반응성 물질로 굴절체를 형성할 수도 있다.

도 4(b)에 도시된 바와 같이, 나이팜 재질의 굴절체(32')는 몸체(31)의 배면에 부착되며, 굴절체(32')에 열이 가해지면 굴절체(32')가 팽창하게 된다. 이에 따라, 몸체(31)는 굴절체(32')가 도포된 방향의 반대방향(즉, 전방)으로 구부러지게 되어 파지 동작을 수행할 수 있다.

가해지는 열을 제거하면 굴절체(32')는 원상태로 수축하여 몸체(31)는 다시 평평한 상태로 복귀한다.

앞서 설명한 레이저 광 등을 이용하면 나이팜 재질의 굴절체(32')가 반응하기에 충분한 열을 인위적으로 가할 수 있다.

도 6은 본 실시예에 따른 그리퍼(30)가 캡슐(C)을 도시한 모습을 도시한 것이다. 도 7은 캡슐(C)의 단면도를 개념적으로 도시한 것이다.

본 실시에에 따른 캡슐(C)은 인공지질로 이루어지는 표피층(100) 안에 형성된 공간(110)에 약물(111)을 함유하고 있다. 약물(111) 속에는 골드 나노 파티클(gold nano particle)(112)이 포함되어 있다. 골드 나노 파티클(112)은 약 800nm의 근 적외선을 쏘여주면, 열을 낼 수 있으며, 근 적외선의 파장은 골드 나노 파티클(112)의 크기와 종횡비에 따라 변동될 수 있다.

마이크로 로봇(1)을 통해 캡슐(C)을 타겟 위치로 이송하고, 근 적외선을 해당 위치에 조사하면 나노 파티클(112)이 열을 내면서 표피층(100)을 녹인다. 이에 따라 표피층(100) 안의 약물(111)이 매우 빠르고 정확하게 타겟 위치에서 방출될 수 있다.

캡슐(C)은 먼저 액상의 약물(111)(파티클(112) 함유)을 기름 속에 분사하여 방울(droplet) 형태를 형성하고, 약물 방울을 PEG 액체 속을 통과시켜 코팅한 후 UV로 경화하여 캡슐 형태로 제작된다.

UV에 의해 경화된 캡슐(C)과 생체 내 셀(cell)의 접착력 증진을 위한 물질을 더 코팅할 수도 있으며, 표피층(100)을 구성하는 지질의 종류를 변화시켜 셀(cell)과의 접착력을 증진시킬 수도 있다.

도 7과 다르게, 골드 나노 파티클(112)은 표피층(100) 안에 수용(embedded)되어 있을 수도 있고, 표피층(100)의 외부에 부착되어 있을 수도 있다.

또한, 캡슐(C)은 단지 생체 내에서 소정 시간이 경과하면 표피층(100)이 녹아 약물이 생체 내에서 작용할 수 있도록 할 수도 있다.

캡슐(C) 안에 함유된 약물은 특정 질병을 치료하는 기능성 약물이거나, 혈관 등의 출혈을 응고시키기 위한 응고제이거나, 암세포와 같은 특정 세포를 파괴시키기 위한 세포사멸유도물질일 수 있다.

본 실시예에 따른 그리퍼(30)는 약물을 함유한 캡슐(C)을 파지하여 운반하는 것으로 설명하고 있지만, 반드시 이에 한정되지는 않는다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 엔드 이펙터를 부착한 마이크로 로봇(1)을 도시한 것이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 엔드 이펙터는 캡슐(C) 외부에 생체 내에서 소정 기간 후 녹는 접착체를 도포한 뒤 캡슐(C)을 접착할 수 있는 단순한 판(50) 형태일 수도 있다.

또한, 그리퍼(30)는 캡슐(C) 등의 생체 외부에서 제작된 물체를 생체 내로 이동시키는 것 외에도, 생체 내의 세포를 움켜잡아 국부적으로 박리하고 박리한 조직을 운반하는 용도로도 이용가능할 것이다.

또한, 본 실시예에 따르면, 엔드 이펙터로서 평평한 일자 형태의 그리퍼(30)를 설명하였지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

도 9는 다른 실시예에 따른 엔드 이펙터를 도시한 것이다.

본 실시예에 따른 엔드 이펙터는 확장 형태의 그리퍼(30')로서 방사형으로 배치된 복수의 파지부를 구비한다. 복수의 파지부가 동시에 중앙을 향해 구부러지면서 물체를 파지할 수 있어 더 다양한 형태의 물체를 파지할 수 있다.

이 외에도 엔드 이펙터는 세포 등을 절단할 수 있는 칼날을 구비할 수도 있다.

모든 엔드 이펙터는 표피로부터 탈부착이 가능하게 형성되어, 기능과 목적에 따라 적절하게 교체가 이루어질 수 있다.

한편, 위 실시예에 따른 마이크로 로봇(1)은 자기장 변화에 의해 선형 및 회전 운동을 하게 되지만, 세포의 절삭 작업 등과 같이 마이크로 로봇(1)이 일정한 회전력을 가지고 이동하는 것이 바람직한 경우가 있다. 하지만, 일정한 회전 운동을 일으키기 위하여 자기장을 끊임없이 조절하는 경우 위치 제어의 정밀성이 떨어질 수 있다.

도 10은 본 발명의 다른 실시에에 따른 마이크로 로봇(1)의 모습을 도시한 것이다.

도 10에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 마이크로 로봇(1)은 표피(30)의 외부에 마이크로 로봇(1)의 회전 운동을 유도하기 위한 나선형 날개(40)를 구비한다.

나선형 날개(40)는 생체 내의 체액 등과 저항을 일으켜 마이크로 로봇(1)이 그 길이방향 축을 중심으로 스스로 회전하면서 이동할 수 있도록 해준다.

Claims

생체 내에서 이동 가능한 마이크로 로봇으로서,
강자성체인 코어;
상기 코어를 감싸는 생체 적합성 물질로 이루어진 표피; 및
상기 코어와 상기 표피 사이에서 상기 코어를 감싸도록 형성되고, 상기 마이크로 로봇의 전체 비중을 좌우하는 비중 분리층을 포함하고,
상기 마이크로 로봇은,
자기장 내에서 상기 코어에 가해지는 자기력에 의해 부유하여 위치 제어되는 것을 특징으로 하는 마이크로 로봇.
제1항에 있어서,
상기 표피 상에 고정되며, 생체 내에서 소정의 작업을 수행하는 엔드 이펙터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 로봇.
제2항에 있어서,
상기 엔드 이펙터는 물체를 파지하기 위한 그리퍼이고,
상기 그리퍼는,
가요성인 평평한 몸체와,
상기 몸체의 표면 일부에 도포되는 굴절체를 포함하고,
상기 굴절체가 수축 또는 팽창함에 따라 상기 굴절체가 도포된 영역에서 상기 몸체가 구부러지는 것을 특징으로 하는 마이크로 로봇.
제3항에 있어서,
상기 굴절체는 빛에 의해 수축하는 성질의 광반응성 물질로 형성되고,
빛이 조사되면 상기 굴절체가 수축하여, 상기 굴절체가 도포된 방향으로 상기 몸체가 구부러지는 것을 특징으로 하는 마이크로 로봇.
제3항에 있어서,
상기 굴절체는 열에 의해 팽창하는 성질의 열반응성 물질로 형성되고,
열이 가해지면 상기 굴절체가 팽창하여, 상기 굴절체가 도포된 방향의 반대방향으로 상기 몸체가 구부러지는 것을 특징으로 하는 마이크로 로봇.
제2항에 있어서,
상기 엔드 이펙터는 탈부착이 가능한 것을 특징으로 하는 마이크로 로봇.
제6항에 있어서,
상기 엔드 이펙터의 배면에는 자석이 형성되고,
상기 자석과 상기 코어가 작용하는 자기력에 의해 상기 엔드 이펙터가 표피 상에 부착되는 것을 특징으로 하는 마이크로 로봇.
제1항에 있어서,
상기 마이크로 로봇은 약물을 함유한 캡슐을 부착하여 이동하는 것을 특징으로 하는 마이크로 로봇.
제8항에 있어서,
상기 표피 상에 고정되며, 생체 내에서 소정의 작업을 수행하는 엔드 이펙터를 더 포함하고, 상기 캡슐은 상기 엔드 이펙터에 부착되는 것을 특징으로 하는 마이크로 로봇.
제1항에 있어서,
상기 표피의 외부에는 상기 마이크로 로봇의 회전 운동을 유도하기 위한 나선형 날개가 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 로봇.