KR101737048B1 - 3차원 회전기의 중력모사방법 - Google Patents

3차원 회전기의 중력모사방법 Download PDF

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KR101737048B1
KR101737048B1 KR1020160033676A KR20160033676A KR101737048B1 KR 101737048 B1 KR101737048 B1 KR 101737048B1 KR 1020160033676 A KR1020160033676 A KR 1020160033676A KR 20160033676 A KR20160033676 A KR 20160033676A KR 101737048 B1 KR101737048 B1 KR 101737048B1
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임민혁
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이치원
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Abstract

본 발명은 3차원 회전기의 중력모사방법에 관한 것으로서, 구체적으로 상기 3차원 회전기의 중력모사방법은 최외곽 프레임을 회전시키는 제1 회전부와, 상기 최외곽 프레임의 내측에 회전 가능하게 연결된 내측 프레임을 회전시키는 제2 회전부와, 상기 내측 프레임과 연동하여 회전하며 대상물이 수용되는 배지를 구비한 3차원 회전기의 중력모사방법에 있어서, 자극노출최소시간(MPT : minimal presentation time)을 설정하는 단계, 원하는 중력수준(Gwanted)을 설정하는 단계, 상기 대상물이 수용되는 방식에 따라 상기 배지의 종류를 결정하는 단계 및 설정된 상기 자극노출최소시간(MPT), 중력수준(Gwanted) 및 상기 배지의 종류에 따라 상기 3차원 회전기의 중력모사를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

3차원 회전기의 중력모사방법 {Gravity simulation method of three-dimensional clinostat}
본 발명은 3차원 회전기의 중력모사방법에 관한 것이다.
최근 국내 및 해외에서 우주탐사에 대한 관심이 높아지고 있으며, 이와 더불어 유인 우주탐사를 비롯한 우주생명과학분야에 대한 관심도 역시 높아지고 있다. 이 경우, 우주에서 중력 환경, 예를 들어, 미세중력 환경이나 부분중력 환경을 모사하는 것은 향후 앞으로 추진될 우주탐사의 효과를 미리 살펴보는 데에 필수적인 사항이다.
이때, 3차원 회전기(three dimensional-clinostat)를 이용하면 세포수준 혹은 작은 장기 수준에서 상기 미세중력/부분중력 환경에서의 반응을 미리 살펴볼 수 있는데, 정확하게 미세중력과 부분중력 환경을 모사하는 것이 중요하다.
한편, 자극노출최소시간(MPT : Minimal Presentation Time)이란 생물이 중력자극에 변화가 있을 때 이에 대해 반응할 수 있는 시간을 의미한다. 대부분의 식물기관은 10 내지 200s 범위의 MPT를 갖는 것으로 알려져 있으며, 동물 세포의 경우 식물 세포보다 중력에 반응하는 시간이 빠르므로 식물 대상의 연구는 3 내지 5 rpm 정도로 회전을 주면 되는 것에 비해 동물은 30 rpm 정도로 빠르게 회전하는 것이 필요하다고 알려져 있다.
또한, 모사된 미세중력(simulated microgravity)을 3차원 회전기로 유도하려고 할 때 상기 MPT보다 짧은 간격으로 회전 방향을 바꿔줘야 한다. 다만 MPT에는 누적 성질(cumulative property)이 있어 같은 회전 방향이 연속되지 않고 불연속적으로 주어진다고 하더라도 노출시간이 더해지므로, 상기 노출시간의 합이 MPT를 초과하게 되면 중력 자극에 대한 생물의 반응이 나타난다고 알려져 있다. 따라서 중력 자극에 대한 생물의 반응이 나타나지 않으려면 경로가 겹치지 않도록 최대한 무작위적인(random) 방향으로 상기 3차원 회전기를 회전시키는 것이 중요하다.
이때, 분당 회전속도(rpm)가 빨라질수록, 3차원 회전기 내에 내장된 배지는 중력 이외에 원심력, 각속도 변화에 따른 추가적인 힘이 작용하며, 배지에 유체를 이용할 경우 코리올리의 힘(Coriolis force)이 추가적으로 작용할 수 있다.
종래 3차원 회전기의 경우, 각속도의 방향을 급격히 변화시켜가며 무작위적인 각속도 벡터의 방향 전환을 시도하는데, 이 경우 각속도의 변화에 의한 중력 이외의 힘의 효과가 커지게 된다. 대한민국 특허공개공보 제 10-2014-0136702호를 살펴보면, 3차원 회전기를 이용하여 미세중력을 모사하여 세포를 자극하는 기술을 개시하지만 미세중력만을 모사할 수 있도록 구성되어 '0' 내지 '1g' 사이의 다양한 중력을 설정할 수 없다는 문제점이 있었다.
한편, 종래 부분중력 모사에 관해 시도한 연구(T.B.Damm et al, Cell cultivation under different gravitational loads using a novel random positioning incubator, DOI 10.1002/bit.25179)를 살펴보면, 무작위적 움직임을 통해 평균 중력 벡터를 0으로 만드는 것과 정적 상태를 혼합하는 방식의 경우, MPT를 고려할 수 없으며 0.6g 이후에서는 대체로 정적 상태에 놓인다는 단점이 있다.
나아가, 상기 배지에 대상물이 수용되는 방식에 따라, 즉 상기 대상물이 상기 배지에 고정되는지, 아니면 부유하는 상태로 수용되는지에 따라 상기 대상물에 작용하는 중력을 모사하는 방식이 달라져야 하는데, 종래 3차원 회전기는 이러한 배지 종류에 따른 차이를 반영하지 못하는 단점이 있었다.
1. 대한민국 특허공개공보 제 10-2014-0136702호
1. T.B.Damm et al, Cell cultivation under different gravitational loads using a novel random positioning incubator, DOI 10.1002/bit.25179
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 자극노출최소시간(MPT)을 조절하여 세포 수준에서의 발현되는 중력의 효과를 선별적으로 관찰할 수 있는 3차원 회전기의 중력모사방법을 제공하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 0에서 1g 사이의 미세중력과 부분중력을 모두 고려할 수 있는 3차원 회전기의 중력모사방법을 제공하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 분당 회전수가 높아지는 경우에도 중력 이외의 외부 힘을 고려할 수 있는 3차원 회전기의 중력모사방법을 제공하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 세포가 배지에 고정되는 경우와 배양액에 포함되어 부유하는 경우와 같이 배지의 종류에 따라 달라지는 세포의 움직임에 따라 중력 영향을 고려할 수 있는 3차원 회전기의 중력모사방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적은 최외곽 프레임을 회전시키는 제1 회전부와, 상기 최외곽 프레임의 내측에 회전 가능하게 연결된 내측 프레임을 회전시키는 제2 회전부와, 상기 내측 프레임과 연동하여 회전하며 대상물이 수용되는 배지를 구비한 3차원 회전기의 중력모사방법에 있어서 자극노출최소시간(MPT : minimal presentation time)을 설정하는 단계, 원하는 중력수준(Gwanted)을 설정하는 단계, 상기 대상물이 수용되는 방식에 따라 상기 배지의 종류를 결정하는 단계 및 설정된 상기 자극노출최소시간(MPT), 중력수준(Gwanted) 및 상기 배지의 종류에 따라 상기 3차원 회전기의 중력모사를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 회전기의 중력모사방법에 의해 달성된다.
상기 3차원 회전기의 중력모사를 수행하는 단계에서, 상기 대상물이 상기 배지에 고정된 경우에 상기 제1 회전부와 제2 회전부의 각속도의 합(ω)은
Figure 112016027222196-pat00001
으로 정의되며,
여기서,
Figure 112016027222196-pat00002
,
Figure 112016027222196-pat00003
,
Figure 112016027222196-pat00004
는 상기 3차원 회전기의 외부에서 바라보는 좌표계에 대한 x,y,z 축의 단위 벡터이며,
상기 제1 회전부의 각속도(ω1)는
Figure 112016027222196-pat00005
으로 정의되며, 'ω10'는 상기 제1 회전부의 기본각속도, 'α'(0≤α≤1)는 상기 제1 회전부의 각속도(ω1)의 변화량을 나타내는 변수로 정의되고,
상기 제2 회전부의 각속도(ω2)는 상기 제1 회전부의 각속도(ω1)의 70% 내지 90%로 설정되거나 무작위로(random) 설정된다.
한편, 상기 제1 회전부의 기본각속도(ω10)는
Figure 112016027222196-pat00006
으로 정의된다.
이때, 상기 3차원 회전기의 중력모사를 수행하는 단계는, 상기 중력수준(Gwanted)을 상기 제1 회전부의 각속도(ω1)에 의해 결정되는 부분중력의 최대값(Gmax)과 비교하여, 상기 제1 회전부가 회전하는 매 주기마다, 상기 제1 회전부의 각속도(ω1)가 '0'이 되는 시점에 상기 제1 회전부의 각속도(ω1)와 상기 제2 회전부의 각속도(ω2)가 '0'이 되는 정적시간을 더해주는 것을 결정하는 단계;를 포함할 수 있다.
한편, 상기 제1 회전부의 각속도(ω1)에 의해 결정되는 부분중력의 값(Partial G)은
Figure 112016027222196-pat00007
으로 정의되며, 상기 'α'의 값이 1을 갖는 경우에 상기 제1 회전부의 각속도(ω1)에 의해 결정되는 부분중력이 최대값을 갖는다.
여기서, 상기 중력수준(Gwanted)이 상기 제1 회전부의 각속도(ω1)에 의해 결정되는 부분중력의 최대값(Gmax) 이하인 경우에 상기 정적시간을 더하지 않으며, 상기 중력수준(Gwanted)이 상기 제1 회전부의 각속도(ω1)에 의해 결정되는 부분중력의 최대값(Gmax)보다 큰 경우에 상기 정적시간을 더하게 된다.
이 경우, 상기 정적시간은 'βT'로 결정되며, 상기 'T'는 상기 제1 회전부의 각속도(ω1)의 주기로 정의되며,
상기 'β'는
Figure 112016027222196-pat00008
으로 정의된다.
한편, 상기 대상물에 작용하는 가속도(afixed)는
Figure 112016027222196-pat00009
으로 정의되며, 'r'은 상기 배지 내부에서 상기 대상물의 위치를 나타내는 변위벡터, 'g'는 중력벡터로 정의되고, 'd'/dt'의해 표현되는 좌표계 x'y'z'은 3차원 회전기의 내부에서 회전하는 배지를 기준으로 하는 좌표축(x',y',z')을 포함한다.
또한, 상기 대상물이 상기 배지 내에서 부유하는 경우에 상기 대상물에 작용하는 가속도(afloat)는
Figure 112016027222196-pat00010
로 정의되며,
'Tfixed'는 상기 대상물이 상기 배지의 벽면에 붙어있는 시간, 'Ttotal''은 상기 3차원 회전기의 전체 구동시간으로 정의된다.
한편, 상기와 같은 본 발명의 목적은 전술한 3차원 회전기의 중력모사방법을 수행하는 제어부를 구비한 3차원 회전기에 의해 달성된다.
상기와 같은 본 발명의 3차원 회전기의 중력모사방법에 따르면 자극노출최소시간(MPT)을 조절하여 세포 수준에서의 발현되는 중력의 효과를 선별적으로 관찰할 수 있으며, 각 세포 특성에 따라 가지는 고유의 자극노출최소시간(MPT)에 관한 데이터를 수집하고 이를 바탕으로 발현 양상을 조절할 수 있다. 예를 들어 각 세포 그룹별로 데이터를 수집하여, 어떠한 환경에서 좋은 효과를 기대할 수 있는지 분석하는 것이 필요하다.
나아가, 본 발명에 따르면 0에서 1g 사이의 미세중력과 부분중력을 모두 고려할 수 있으며, 따라서 중력 변화에 따른 세포의 발현 양상 및 장기의 변화 양상을 살펴보는 데에 유용하다.
또한, 본 발명에 따르면 분당 회전수가 높아지는 경우에 중력 이외의 외부 힘을 고려해서 중력을 모사할 수 있으며, 이에 의해 야 하며, 세포 및 장기가 받는 정확한 중력 수치를 계산할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 세포가 배지에 고정되는 경우와 배양액에 포함되어 부유하는 경우와 같이 배지의 종류에 따라 달라지는 세포의 움직임에 따라 중력 영향을 고려하여 더욱 정확한 중력 모사 환경을 구축할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 중력모사방법이 구현되는 3차원 회전기의 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 3차원 회전기의 중력모사방법이 도시된 순서도,
도 3은 본 발명에 따른 중력모사방법에서 부분중력이 작용하는 상태를 개략적으로 도시한 그래프,
도 4는 본 발명에 따른 중력모사방법에서 제1 회전부의 각속도(ω1)에 의해 결정되는 부분중력의 최대값을 도시한 그래프이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 3차원 회전기의 중력모사방법에 대해서 살펴본다. 먼저, 상기 중력모사방법이 구현되는 3차원 회전기의 구조에 대해 살펴보고 이어 상기 3차원 회전기의 중력모사방법에 대해 상세히 살펴본다.
도 1은 본 발명에 따른 중력모사방법이 구현되는 3차원 회전기의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 상기 3차원 회전기(10)는 베이스(3)와, 상기 베이스(3)에서 수직하게 연장 형성된 한 쌍의 지지바(3a, 3b)와, 상기 한 쌍의 지지바(3a, 3b) 사이에 회전 가능하게 구비되는 최외곽 프레임(1)과, 상기 최외곽 프레임(1)을 제1 회전축(4a)을 중심으로 회전시키는 제1 회전부(4)와, 상기 최외곽 프레임(1)의 내측에 회전 가능하게 연결된 내측 프레임(7)과, 상기 내측 프레임(7)을 제2 회전축(6a)을 중심으로 회전시키는 제2 회전부(6)와, 상기 내측 프레임(7)과 연동하여 회전하며 대상물이 수용되는 배지(2)와, 상기 제1 회전부(4)와 제2 회전부(6)의 회전 구동을 제어하는 제어부(20)를 구비한다.
상기 배지(2)에 세포와 같은 대상물이 수용된 상태에서 상기 제어부(20)의 명령에 의해 상기 제1 회전부(4) 및 제2 회전부(6)가 회전하게 된다. 상기 제1 회전부(4)와 제2 회전부(6)의 회전에 의해 상기 배지(2)는 상기 제1 회전축(4a) 및 제2 회전축(6a)을 중심으로 회전하게 되며, 이에 의해 상기 대상물에 가속도가 작용하여 원하는 중력수준을 모사하게 된다. 상기와 같은 구성을 가지는 경우에 중력모사방법에 대해 이하 구체적으로 살펴본다.
도 2는 본 발명에 따른 3차원 회전기(10)의 중력모사방법을 도시한 순서도이다.
도 2를 참조하면, 상기 중력모사방법은 자극노출최소시간(MPT : minimal presentation time)을 설정하는 단계(S210), 원하는 중력수준(Gwanted)을 설정하는 단계(S230), 상기 대상물이 수용되는 방식에 따라 상기 배지의 종류를 결정하는 단계(S250) 및 설정된 상기 자극노출최소시간(MPT), 중력수준(Gwanted) 및 상기 배지의 종류에 따라 상기 3차원 회전기의 중력모사를 수행하는 단계(S270)를 포함한다.
먼저, 작업자는 상기 3차원 회전기(10)의 입력부(미도시) 등을 조작하여 자극노출최소시간(MPT)을 설정한다(S210).
상기 자극노출최소시간(MPT)은 생물에 작용하는 중력자극에 변화가 있을 때 이에 대해 생물이 반응할 수 있는 최소시간을 의미한다. 일반적으로 식물 세포 등은 대략 10 내지 200s 사이의 자극노출최소시간(MPT)을 가지며, 동물 세포의 경우 식물 세포보다 중력에 반응하는 시간이 상대적으로 빠른 것으로 알려져 있다.
이때, 상기 3차원 회전기(10)에 의해 미세중력 또는 부분중력을 모사하기 위해서는 해당 세포의 자극노출최소시간(MPT)보다 짧은 간격으로 회전 방향을 바꿔주는 것이 필요하다. 다만 자극노출최소시간(MPT)에는 누적 성질(cumulative property)이 있어 같은 회전 방향이 연속되지 않고 불연속적으로 주어진다고 하더라도 노출시간이 더해지므로, 상기 노출시간의 합이 자극노출최소시간(MPT)을 초과하게 되면 중력 자극에 대한 생물의 반응이 나타나게 된다. 따라서 중력 자극에 대한 생물의 반응이 나타나지 않으려면 경로가 겹치지 않도록 최대한 무작위적인(random) 방향으로 상기 3차원 회전기를 회전시키는 것이 필요하다.
결국, 작업자는 상기 배지(2)에 수용된 세포의 종류에 따라 적절하게 상기 자극노출최소시간(MPT)을 설정하게 된다. 이 경우, 상기 배지(2)에 수용된 세포의 자극노출최소시간(MPT)이 알려져 있는 경우에 상기 알려진 자극노출최소시간의 1/2을 상기 3차원 회전기(10)에 자극노출최소시간으로 입력할 수 있다. 이는 전술한 바와 같이 해당 세포의 자극노출최소시간(MPT)보다 짧은 간격으로 회전 방향을 바꿔주기 위함이다.
이어서, 작업자는 상기 3차원 회전기(10)의 입력부(미도시) 등을 조작하여 원하는 중력수준(Gwanted)을 설정한다(S230).
작업자는 0g 이상 및 1g 이하의 범위에서 적절하게 원하는 중력수준(Gwanted)을 설정할 수 있다.
이어서 상기 작업자는 상기 대상물이 수용되는 방식에 따라 상기 배지(2)의 종류를 결정(S250)하고, 상기 3차원 회전기(10)의 제어부(20)는 상기 작업자가 입력한 자극노출최소시간(MPT), 중력수준(Gwanted) 및 상기 배지의 종류에 따라 에 의해 중력모사(gravity simulation)를 수행하게 된다.
이때, 설정된 자극노출최소시간(MPT)과 상기 중력수준(Gwanted)에 따라 3차원 회전기(10)의 중력모사를 수행하는 경우, 상기 배지(2)에 상기 대상물이 수용된 방식에 따라 중력모사방법이 달라지게 된다.
즉, 상기 배지(2)에 상기 대상물이 고정된 경우에는 상기 배지(2)의 회전에 따라 상기 대상물도 연동하여 회전하므로 상기 배지(2)에 작용하는 가속도를 고려하면 된다. 반면에 상기 대상물이 고정되지 않고 상기 배지(2)의 유체 내에 상기 대상물이 부유하는 경우에 상기 배지(2) 내에서 상기 대상물이 움직이게 된다. 이하에서는 상기 배지(2)에 상기 대상물이 고정된 경우에 대해 먼저 살펴보고, 상기 대상물이 상기 배지(2) 내에서 부유하는 경우에 대해서 살펴보기로 한다.
상기 대상물이 상기 배지(2)에 고정된 경우에 상기 제1 회전부(4)와 제2 회전부(6)에 의한 각속도의 합(ω)은 아래 [수학식 1]로 정의된다.
[수학식 1]
Figure 112016027222196-pat00011
여기서,
Figure 112016027222196-pat00012
,
Figure 112016027222196-pat00013
,
Figure 112016027222196-pat00014
는 상기 3차원 회전기의 외부에서 바라보는 좌표계 xyz에 대한 x,y,z 축의 각 단위 벡터이며, 'ω1'은 제1 회전축(4a)을 중심으로 상기 제1 회전부(4)에 의해 상기 최외곽 프레임(1)이 회전하는 각속도이며, 'ω2'은 제2 회전축(6a)을 중심으로 상기 제2 회전부(6)에 의해 상기 내측 프레임(7)이 회전하는 각속도로 정의된다.
여기서, 상기 3차원 회전기(10)의 제1 회전부(4)가 상기 제1 회전축(4a)을 중심으로 회전한 각도(
Figure 112016027222196-pat00015
)와, 제2 회전부(6)가 상기 제2 회전축(2a)을 중심으로 회전한 각도(
Figure 112016027222196-pat00016
)는 아래 [수학식 2]와 같다.
[수학식 2]
Figure 112016027222196-pat00017
,
Figure 112016027222196-pat00018
이때, 상기 제1 회전부의 각속도(ω1)는 아래 [수학식 3]으로 정의된다.
[수학식 3]
Figure 112016027222196-pat00019
여기서, 'ω10'는 상기 제1 회전부(4)의 기본각속도로 정의되고, 'α'(0≤α≤1)는 상기 제1 회전부(4)의 각속도(ω1)가 주기함수(코사인 함수)에 따라 변화하는 경우에 변화량을 나타내는 변수로 정의된다. 상기 'α'의 값이 '0'에 가까울수록 상기 제1 회전부(4)의 각속도(ω1)는 상기 기본각속도(ω10)에 가까운 값을 갖게 되어 결과적으로 미세중력을 나타나게 되며, 반대로 상기 'α'의 값이 '1'에 가까울수록 상기 제1 회전부(4)의 각속도(ω1)는 부분중력을 나타나게 된다. 특히, 상기 'α'의 값이 '1'인 경우 상기 부분중력은 최대값을 갖게 된다.
도 3은 본 발명에 따른 중력모사방법에서 부분중력이 작용하는 상태를 개략적으로 도시한 그래프이다. 도 3에서 가로축은 시간(S)을 도시하며, 세로축은 상기 3차원 회전기(10)의 x', y', z' 축을 따라 각각 작용하는 중력벡터의 평균값을 도시한다.
여기서, 좌표계 x'y'z'은 3차원 회전기(10)의 내부에서 회전하는 배지(2)를 기준으로 하는 좌표축(x',y',z')을 포함한다. 이 때 상기 좌표계 x'y'z'에 대한 좌표 단위벡터
Figure 112016027222196-pat00020
는 전술한 좌표계 xyz를 이용하여 아래 [수학식 4]로 정의된다.
[수학식 4]
Figure 112016027222196-pat00021
Figure 112016027222196-pat00022
Figure 112016027222196-pat00023
또한 반대로 좌표계 xyz에 대한 단위벡터
Figure 112016027222196-pat00024
,
Figure 112016027222196-pat00025
는 좌표계 x'y'z'을 이용하여 아래 [수학식 5]로 정의된다.
[수학식 5]
Figure 112016027222196-pat00026
Figure 112016027222196-pat00027
Figure 112016027222196-pat00028
도 3을 참조하면, 상기 [수학식 3]에서 상기 기본각속도(ω10)가 '1'이고, 상기 'α'의 값이 '1'인 경우에 상기 3차원 회전기(10)의 x', y', z' 축을 따라 각각 작용하는 중력벡터의 평균값을 도시한다
이 경우, 상기 x'축 및 y'축을 따라 작용하는 중력벡터는 시간의 흐름에 따라 '0'으로 수렴하며, 반면에 상기 z'축을 따라 작용하는 중력벡터는 시간의 흐름에 따라 일정한 값에 수렴하는 것을 알 수 있다. 이는 전술한 조건에 따라 상기 3차원 회전기(10)가 동작하는 경우에 미리 정해진 축을 따라서만 중력이 작용하는 것, 즉 부분중력이 작용하는 것을 알 수 있다.
한편, 상기 제2 회전부(6)의 각속도(ω2)는 상기 제1 회전부(4)의 각속도(ω1)의 일정비율, 예를 들어 70% 내지 90%로 설정되거나 무작위로(random) 설정될 수 있다. 상기 제2 회전부(6)의 각속도(ω2)가 전술한 바와 같이 설정되는 경우 충분한 시간이 흐른 후에 전술한 부분중력이 작용하는 축을 제외한 나머지 축의 중력가속도를 균일하게 분포시킬 수 있다.
한편, 상기 제1 회전부(4)의 기본각속도(ω10)는 아래 [수학식 6]으로 정의될 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112016027222196-pat00029
여기서, 상기 'MPT'는 상기 작업자에 의해 입력된 자극노출최소시간에 해당한다. 따라서, 작업자가 자극노출최소시간(MPT)을 입력하는 경우에 이에 따라 상기 제1 회전부(4)의 기본각속도(ω10)가 결정된다.
한편, 상기 작업자에 의해 입력된 원하는 중력수준(Gwanted)이 상기 제1 회전부의 각속도(ω1)에 의해 결정되는 부분중력의 최대값(Gmax)보다 클 수 있다. 즉, 상기 제1 회전부의 각속도(ω1)는 전술한 [수학식 3]으로 정의되며, 이때 상기 'α'의 값이 '1'인 경우 상기 부분중력은 최대값을 갖게 된다.
예를 들어, 중력가속도 1 g(9.8 m/s2)을 '1'로 기준으로 삼을 경우 상기 제1 회전부의 각속도(ω1)에 의해 결정되는 부분중력의 값(Partial G)은 아래 [수학식 7]로 정의된다.
[수학식 7]
Figure 112016027222196-pat00030
이때, 상기 부분중력의 값은 0에서 1 사이의 값을 가지게 된다. 작업자에 의해 설정된 자극노출최소시간(MPT)에 따라 상기 제1 회전부(4)의 기본각속도(ω10)가 결정된 경우에 상기 [수학식 7]에서 상기 'α'의 값이 1을 갖는 경우에 상기 제1 회전부의 각속도(ω1)에 의해 결정되는 부분중력이 최대값을 갖게 된다.
도 4는 상기 제1 회전부(4)의 기본각속도(ω10)가 변화하는 경우에 상기 제1 회전부의 각속도(ω1)에 의해 결정되는 부분중력의 최대값(Gmax)을 도시한 그래프이다. 도 4에서 가로축은 상기 제1 회전부(4)의 기본각속도(ω10)를 도시하며, 세로축은 부분중력의 크기(g)를 도시한다.
도 4를 참조하면, 상기 제1 회전부(4)의 기본각속도(ω10)가 변화하는 경우에 상기 제1 회전부의 각속도(ω1)에 의해 결정되는 부분중력의 최대값도 변화하는 것을 알 수 있다.
따라서, 상기 3차원 회전기(10)의 제어부(20)는 상기 중력수준(Gwanted)을 상기 제1 회전부의 각속도(ω1)에 의해 결정되는 부분중력의 최대값(Gmax)과 비교하여 상기 제1 회전부의 각속도(ω1)가 '0'이 되는 매주기(T)마다 상기 제1 회전부의 각속도(ω1)와 상기 제2 회전부의 각속도(ω2)가 '0'이 되는 정적시간을 더해주는 것을 결정할 수 있다. 즉, 상기 제1 회전부(4)가 회전하는 매 주기마다, 상기 제1 회전부의 각속도(ω1)가 '0'이 되는 시점에 정적시간을 더해주는 것을 결정할 수 있다.
상기 제1 회전부의 각속도(ω1)가 전술한 [수학식 3]에 따른 값을 가지는 경우에 '0'이 되는 매주기(
Figure 112016027222196-pat00031
)마다 추가시간을 더하는 경우, 즉 정적시간을 더해주는 경우에 상기 제1 회전부의 각속도(ω1)에 의해 결정되는 부분중력의 최대값(Gmax)보다 더 높은 부분중력을 구현할 수 있다.
따라서, 상기 제어부(20)는 설정된 상기 원하는 중력수준(Gwanted)이 상기 제1 회전부의 각속도(ω1)에 의해 결정되는 부분중력의 최대값(Gmax) 이하인 경우에 상기 정적시간을 더하지 않으며, 상기 중력수준(Gwanted)이 상기 제1 회전부의 각속도(ω1)에 의해 결정되는 부분중력의 최대값(Gmax)보다 큰 경우에 상기 정적시간을 더하게 된다.
즉, 상기 원하는 중력수준(Gwanted)이 상기 제1 회전부의 각속도(ω1)에 의해 결정되는 부분중력의 최대값(Gmax) 이하인 경우에 별도의 정적시간을 더하지 않으며, 소위 '동적인 부분 중력(dynamic partial gravity)'에 의해 상기 원하는 중력수준(Gwanted)을 구현하게 된다. 반면에 상기 중력수준(Gwanted)이 상기 제1 회전부의 각속도(ω1)에 의해 결정되는 부분중력의 최대값(Gmax)보다 큰 경우에 상기 정적시간을 더하여 소위 '정적인 상태'를 추가할 수 있다.
이때, 상기 정적시간은 'βT'로 정의되며, 여기서, 상기 'T'는 상기 제1 회전부의 각속도(ω1)의 주기로 정의되며, 상기 'β'는 아래 [수학식 8]로 정의된다.
[수학식 8]
Figure 112016027222196-pat00032
전술한 과정을 따른 경우에 상기 배지(2)에 고정된 대상물에 작용하는 가속도(afixed)는 아래 [수학식 9]로 정의된다.
[수학식 9]
Figure 112016027222196-pat00033
여기서, 'r'은 상기 배지(2) 내부에서 상기 대상물의 위치를 나타내는 변위벡, 'g'는 중력벡터, 'd'/dt'에 의해 표현되는 좌표계 x'y'z'은 3차원 회전기(10)의 내부에서 회전하는 배지(2)를 기준으로 하는 좌표축(x',y',z')을 포함한다.
한편, 전술한 바와 같이 상기 대상물이 상기 배지(2)에 고정되지 않고 상기 배지(2) 내의 유체에서 부유하는 경우에 상기 배지(2) 내의 상기 대상물의 움직임을 모델링하고 이때 받는 충격량과 힘을 모델링하여 부분중력을 구할 수 있다. 예를 들어, 상기 배지(2) 속의 배양액에서 상기 대상물이 부유하는 경우에 상기 대상물이 상기 배지(2)의 벽면에 부딪힐 때의 힘이 중요하게 작용한다.
따라서, 상기 배지(2) 내의 유체 속에 상기 대상물이 부유하는 경우에 상기 대상물에 작용하는 가속도(afloat)는 아래 [수학식 10]으로 정의된다.
[수학식 10]
Figure 112016027222196-pat00034
여기서, 'Tfixed'는 상기 대상물이 상기 배지(2)의 벽면에 붙어있는 시간, 'Ttotal''은 상기 3차원 회전기(10)의 전체 구동시간으로 정의된다.
전술한 3차원 회전기(10)의 중력모사방법은 상기 3차원 회전기(10)의 제어부(20)에 알고리즘 형태로 미리 저장되어 상기 제어부(20)에 의해 각 단계가 수행되어 상기 3차원 회전기(10)의 중력모사를 수행할 수 있다.
1…최외곽 프레임
2…배지
3…베이스
4…제1 회전부
6…제2 회전부
7…내측 프레임
10…3차원 회전기
20…제어부

Claims (10)

  1. 최외곽 프레임을 회전시키는 제1 회전부와, 상기 최외곽 프레임의 내측에 회전 가능하게 연결된 내측 프레임을 회전시키는 제2 회전부와, 상기 내측 프레임과 연동하여 회전하며 대상물이 수용되는 배지를 구비한 3차원 회전기의 중력모사방법에 있어서
    자극노출최소시간(MPT : minimal presentation time)을 설정하는 단계;
    원하는 중력수준(Gwanted)을 설정하는 단계;
    상기 대상물이 수용되는 방식에 따라 상기 배지의 종류를 결정하는 단계; 및
    설정된 상기 자극노출최소시간(MPT), 중력수준(Gwanted) 및 상기 배지의 종류에 따라 상기 3차원 회전기의 중력모사를 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 회전기의 중력모사방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 3차원 회전기의 중력모사를 수행하는 단계에서,
    상기 대상물이 상기 배지에 고정된 경우에 상기 제1 회전부와 제2 회전부의 각속도의 합(ω)은
    Figure 112017037581769-pat00035

    으로 정의되며,
    여기서,
    Figure 112017037581769-pat00036
    ,
    Figure 112017037581769-pat00037
    ,
    Figure 112017037581769-pat00038
    는 상기 3차원 회전기의 외부에서 바라보는 좌표계에 대한 x,y,z 축의 단위 벡터이며,
    상기 제1 회전부의 각속도(ω1)는
    Figure 112017037581769-pat00039

    으로 정의되며, 'ω10'는 상기 제1 회전부의 기본각속도, 'α'(0≤α≤1)는 상기 제1 회전부의 각속도(ω1)의 변화량을 나타내는 변수로 정의되고,
    상기 제2 회전부의 각속도(ω2)는 상기 제1 회전부의 각속도(ω1)의 70% 내지 90%로 설정되는 것을 특징으로 하는 3차원 회전기의 중력모사방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 회전부의 기본각속도(ω10)는
    Figure 112016027222196-pat00040

    으로 정의되는 것을 특징으로 하는 3차원 회전기의 중력모사방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 3차원 회전기의 중력모사를 수행하는 단계는,
    상기 중력수준(Gwanted)을 상기 제1 회전부의 각속도(ω1)에 의해 결정되는 부분중력의 최대값(Gmax)과 비교하여, 상기 제1 회전부가 회전하는 매 주기마다, 상기 제1 회전부의 각속도(ω1)가 '0'이 되는 시점에 상기 제1 회전부의 각속도(ω1)와 상기 제2 회전부의 각속도(ω2)가 '0'이 되는 정적시간을 더해주는 것을 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 회전기의 중력모사방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 회전부의 각속도(ω1)에 의해 결정되는 부분중력의 값(Partial G)은
    Figure 112016027222196-pat00041

    으로 정의되며, 상기 'α'의 값이 1을 갖는 경우에 상기 제1 회전부의 각속도(ω1)에 의해 결정되는 부분중력이 최대값을 갖는 것을 특징으로 하는 3차원 회전기의 중력모사방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 중력수준(Gwanted)이 상기 제1 회전부의 각속도(ω1)에 의해 결정되는 부분중력의 최대값(Gmax) 이하인 경우에 상기 정적시간을 더하지 않으며,
    상기 중력수준(Gwanted)이 상기 제1 회전부의 각속도(ω1)에 의해 결정되는 부분중력의 최대값(Gmax)보다 큰 경우에 상기 정적시간을 더하는 것을 특징으로 하는 3차원 회전기의 중력모사방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 정적시간은 'βT'로 결정되며,
    상기 'T'는 상기 제1 회전부의 각속도(ω1)의 주기로 정의되며,
    상기 'β'는
    Figure 112016027222196-pat00042

    으로 정의되는 것을 특징으로 하는 3차원 회전기의 중력모사방법.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 대상물에 작용하는 가속도(afixed)는
    Figure 112016027222196-pat00043

    으로 정의되며, 'r'은 상기 배지 내부에서 상기 대상물의 위치를 나타내는 변위벡터, 'g'는 중력벡터로 정의되고, 'd'/dt'의해 표현되는 좌표계 x'y'z'은 3차원 회전기의 내부에서 회전하는 배지를 기준으로 하는 좌표축(x',y',z')을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 회전기의 중력모사방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 대상물이 상기 배지 내에서 부유하는 경우에 상기 대상물에 작용하는 가속도(afloat)는
    Figure 112016027222196-pat00044

    로 정의되며,
    'Tfixed'는 상기 대상물이 상기 배지의 벽면에 붙어있는 시간, 'Ttotal''은 상기 3차원 회전기의 전체 구동시간으로 정의되는 것을 특징으로 하는 3차원 회전기의 중력모사방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중에 선택된 어느 한 항에 따른 3차원 회전기의 중력모사방법을 수행하는 제어부를 구비한 3차원 회전기.
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