KR20100077901A - 뇌 신경신호 측정을 위한 전극 이동용 마이크로 매니퓰레이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 피실험체의 뇌 신경세포에 근접되는 전극 또는 전극이 장착되어 있는 전극홀더의 위치 분해능을 향상시켜 원하는 위치의 신경세포 생체신호를 기록할 수 있는 가능성이 높고, 구조가 간단한 마이크로 매니퓰레이터에 관한 것이다.본 발명에 따른 마이크로 매니퓰레이터는 샤프트와 진동부를 구비하는 모터, 상기 샤프트 상에서 이동가능하도록 연결되는 이동체, 및 상기 모터가 지지되는 프레임을 포함한다. 전극은 상기 샤프트의 길이방향과 평행한 방향으로 상기 이동체에 연결되어서, 상기 진동부에 의해 상기 샤프트가 진동함에 따라, 상기 이동체가 직선운동하여 상기 전극이 직선운동한다. 본 발명에 따른 마이크로 매니퓰레이터는 구조가 간단하면서도 분해능이 우수하여 전극의 위치 결정력이 매우 우수하다. 또한, 포지션 센서를 포함하여 직선운동하는 이동체와 전극의 위치 결정력을 향상시켰으며 직선 운동에 따른 이동체 및 전극의 현재 위치를 모니터링하는 것이 가능하다. 따라서, 피실험체에 용이하게 장치되고, 보다 정밀한 실험이 가능하다는 이점이 있다.

뇌, 신경세포, 매니퓰레이터, 피에조, 진동, 전극

Description

뇌 신경신호 측정을 위한 전극 이동용 마이크로 매니퓰레이터{Micro Manipulator for Electrode Movement in Neural Signal Recording}

본 발명은 전극 이동을 위한 마이크로 매니퓰레이터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 피실험체의 신경세포에 근접되는 전극 또는 전극이 장착되어 있는 전극홀더의 위치 분해능 및 위치 결정력을 향상시켜 원하는 위치의 신경세포 생체 신호를 검출할 수 있는 가능성을 높이고, 구조가 간단한 마이크로 매니퓰레이터에 관한 것이다.

생체는 수많은 신경세포들로 구성되는데 이러한 신경 세포들은 정보 전달의 매개체 역할을 한다. 신경세포 사이의 정보 전달 방법은 전기신호의 송수신 과정이라고 할 수 있다. 즉, 신경세포들은 소정의 전기신호를 통해 다른 신경세포로 정보를 전달한다. 이는 신경세포들이 외부의 전기적 자극에 민감하다는 것을 보여주는 반증이기도 하다.

이와 같은 생체와 전기와의 상관관계를 규명하는 학문이 전기생리학이다. 다시 말해서, 전기생리학은 전기가 생체에 끼치는 영향과 생체에서 발생하는 전기현상을 연구대상으로 하는 학문이다. 전기생리학은 전자공학의 발달과 세포 내 전극 인입 등의 기술이 개발됨에 따라 비약적으로 발전하고 있다.

한편, 인간의 뇌에는 약 10¹¹개의 신경세포가 존재하는 것으로 알려져 있다. 이러한 뇌의 신경세포는 뇌 기능을 결정지으며 역할에 따라 다양하게 분류된다. 따라서, 뇌 기능에 대해 이해하기 위해서는 뇌 신경세포의 역할 및 작용에 대한 분석이 요구된다. 이러한 뇌 신경세포의 기능에 대한 분석을 위해, 외부의 자극에 따른 뇌 신경세포의 전기적 특정 및 특정의 뇌 신경세포에 대한 전기적 자극에 따른 생체의 반응을 분석하는 방법 등이 제안되었다. 그러나, 인간을 대상으로 상기와 같은 전기적 자극 방법을 수행할 수는 없으므로 동물을 대상으로 실험이 진행되어 왔다.

도 1은 뇌 신경세포와 전기와의 상관관계를 규명하는 실험에 사용되는 실험 장치의 개략적인 개념도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 일반적으로 뇌 신경세포와 전기와의 상관관계를 규명하는 실험을 위해 쥐와 같은 작은 동물들을 피실험체로 한다. 이러한 피실험체의 뇌 신경세포의 전기적 신호를 검출하거나 뇌 신경세포에 전기적 신호를 인가하는 역할을 수행하는 전극을 뇌 신경세포에 근접시키기 위해서 마이크로 매니퓰레이터(Micro-manipulator)(1)가 사용된다. 마이크로 매니퓰레이터(1)는 외부신호처리장치(2)와 연결된다. 외부신호처리장치(2)는 마이크로 매니퓰레이터(1)의 동작을 제어하는 제어부 및 상기 전극으로부터 발생되는 전기적 신호를 디지털 신호로 변환시키고 이를 분석하는 신호처리부 등으로 구성된다.

뇌는 생체의 조직 중에서 가장 민감한 부분이기 때문에 뇌 신경세포에 전기 적 자극을 가하거나 전기적 신호를 추출하는 과정은 매우 조심스럽게 진행되어야 한다. 따라서, 상기와 같은 뇌 신경세포 전기신호 분석장치에 있어서 상기 전극을 뇌 신경세포로 근접시키는 역할을 수행하는 마이크로 매니퓰레이터는 정확한 심험수치 획득의 측면에서뿐만 아니라 생체 보호 측면에서도 그 역할이 매우 중요하다고 할 것이다.

종래에는 전극을 뇌 신경세포로 근접시키는 역할을 수행하기 위해서 수동형 마이크로 매니퓰레이터 또는 소형 모터를 이용한 마이크로 매니퓰레이터가 사용되고 있다.

하지만, 수동형 마이크로 매니퓰레이터는 전극을 이송시키기 위해서 사용자가 실험에 사용되는 동물을 구속하고 이송장치를 동작시켜야 하므로 실험에 불편하고, 수동 조작으로 인한 전극의 위치 결정력이 떨어진다. 또한, 피실험체인 동물의 저항으로 인해 전극이 기록하고자 하는 신경세포로부터 이탈되는 등의 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서, 기존의 소형 모터를 이용한 마이크로 매니퓰레이터가 개발되었으나, 모터의 동작을 전달하기 위한 기어부와, 전극의 선형 운동을 위한 스크류 등의 이송장치가 포함되어 있어, 매니퓰레이터의 종축 방향의 길이가 길어지고 구조가 복잡하다는 문제점이 있다. 또한, 감속기어와 스크류 같은 여러 기계요소의 결합은 오차를 발생시키기 쉬우며, 따라서 전극을 이송시키기 위한 마이크로 매니퓰레이터의 분해능이 높지 않고, 그만큼 제어력이 떨어진다는 문제점이 있다.

본 발명은 위와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 샤프트와 진동부를 구비하는 모터를 이용하여 이동체를 직선운동시켜, 상기 이동체에 연결된 전극을 이송시킴으로써 분해능 및 위치 결정력이 우수하면서도 구조가 간단한 마이크로 매니퓰레이터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 마이크로 매니퓰레이터는 샤프트와 진동부를 구비하는 모터, 상기 샤프트 상에서 이동가능하도록 연결되는 이동체, 및 상기 모터가 지지되는 프레임을 포함한다. 전극은 상기 샤프트의 길이방향과 평행한 방향으로 상기 이동체에 연결되고, 상기 진동부에 의해 상기 샤프트가 진동함에 따라, 상기 이동체가 직선운동하여 상기 전극이 직선운동한다.

또한, 상기 진동부는 전원을 인가하면 팽창 또는 수축되는 변형기판과, 상기 변형기판에 부착되는 탄성기판로 이루어지고, 상기 샤프트는 상기 변형기판 또는 상기 탄성기판에 고정되며, 상기 탄성기판과 수직한 방향으로 형성될 수도 있다.

또한, 상기 이동체에 고정되며, 상기 샤프트의 길이방향과 평행한 방향으로 형성되는 전극홀더를 더 포함하고, 상기 전극은 상기 전극홀더 내부에 장착되어, 상기 이동체에 연결될 수도 있다.

또한, 상기 전극홀더는 상기 이동체로부터 착탈가능할 수도 있다.

또한, 상기 샤프트는 상기 프레임의 중앙을 관통할 수도 있다.

또한, 깔대기 형상의 가이드부재를 더 포함하고, 상기 가이드부재는 상기 프레임의 하단 중앙에 결합되어, 상기 전극의 단부가 상기 샤프트와 동일축상으로 연장되도록 할 수도 있다.

또한, 상기 이동체의 변위를 측정하는 포지션 센서부를 더 포함할 수도 있다.

또한, 상기 포지션 센서부는 영구자석 및 자기센서로 이루어지며, 상기 영구자석은 상기 이동체에 고정될 수도 있다.

또한, 제어부에서 발생된 제어신호를 전달받아 상기 모터를 작동시키기 위한 제어신호전달장치를 더 포함할 수도 있다.

또한, 상기 전극으로부터 검출되는 신호를 외부로 전달하기 위한 신경신호전달장치를 더 포함할 수도 있다.

또한, 상기 포지션 센서부에서 측정되는 상기 이동체의 변위 정보를 외부로 전달하기 위한 위치신호전달장치를 더 포함할 수도 있다.

또한, 상기 모터와 상기 이동체 및 상기 프레임을 내부에 고정지지하는 외부 덮개를 더 포함할 수도 있다.

또한, 상기 외부덮개는 상부 덮개 및 하부 덮개로 이루어지고, 상기 상부 덮개는 상기 하부 덮개와 착탈가능할 수도 있다.

또한, 상기 이동체에 결합되는 판스프링을 더 포함하며, 상기 판스프링은, 상기 샤프트와 상기 이동체가 연결되는 연결부에 위치하여 상기 샤프트와 상기 이동체 사이에 마찰력을 제공할 수도 있다.

본 발명에 따른 마이크로 매니퓰레이터는 구조가 간단하여 보다 소규모로 제작될 수 있다. 따라서, 크기가 작은 피실험체에 용이하게 장치가 가능하고 장치 후 피실험체의 행동에 제약을 주지 않게 된다.

또한, 본 발명에 따른 마이크로 매니퓰레이터는 분해능 및 위치결정력이 매우 우수하고 제어가 용이하여 정밀한 실험이 가능하다는 이점이 있다.

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 작용이 제한되지 않는다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 매니퓰레이터(10)의 사시도이고, 도 3은 도 2의 실시예에 따른 마이크로 매니퓰레이터의 부분 사시도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 마이크로 매니퓰레이터(10)는 모터(100), 이동체(200) 및, 모터(100)를 지지하는 프레임(300)을 포함한다. 모터(100)는 복수의 박판(111, 112, 113)이 결합된 진동부(110)와, 진동부(110)와 수직한 방향으로 형성되는 샤프트(120)로 이루어진다. 도 3을 참조하면, 샤프트(120)에는 이동체(200)가 연결된다. 이동체(200)는 대략 "ㄷ"자 형태로서, 중앙부에 "v"자 홈(230)을 구비한다. 샤프트(120)를 이동체(200)의 "v"자 홈(230) 내부에 위치시킨 후, 볼트(221)를 이용하여 판스프링(220)을 결합시킨다.

상기와 같은 결합에 의해, 이동체(200)는 샤프트(120) 상에서 상하 이동 즉, 직선이동이 가능하도록 연결된다. 이 때, 판스프링(220)은 그 탄성복원력에 의해서 이동체(200)와 샤프트(120) 사이에 일정한 마찰력을 제공한다. 따라서, 이동체(200)를 샤프트(120) 상에서 이동시키기 위해서는 판스프링(220)에 의한 탄성복원력 이상의 힘을 가하여야만 한다.

피실험체에 삽입되어 신경신호를 검출하기 위한 전극(11)은 샤프트(120)와 평행한 방향으로 이동체(200)에 연결된다. 본 실시예에 따른 마이크로 매니퓰레이터(10)는 전극(11)을 이동체(200)에 연결하기 위한 중공의 전극홀더(400)가 구비된다.

도 3에 도시된 바와 같이, 전극홀더(400)는 샤프트(120)와 평형한 방향으로 이동체(200)에 고정되며, 전극(11)은 전극홀더(400)의 내부 중공을 통해 연장되어 고정된다. 이와 같은 결합에 의해, 이동체(200)가 상하로 이동하면, 전극홀더(400)가 따라서 이동하게 되고, 전극홀더(400)에 고정된 전극(11)도 따라서 상하로 이동하게 된다. 즉, 이동체가 직선운동하도록 함으로써 전극(11)이 직선운동하도록 할 수 있게 된다.

전극홀더(400)는 이동체(200)로부터 착탈이 가능하다. 도 2 및 도 3을 참조하며, 전극홀더(400)는 볼트(210)를 이용해 이동체(200)에 고정된다. 따라서 볼트(210)를 제거하면 전극홀더(400)를 이동체(200)로부터 제거할 수 있다. 즉, 실험 후 전극홀더(200)와 전극(11)을 이동체(200)로부터 분리하고, 새 전극홀더(400) 및 전극(11)으로 교체할 수 있어, 마이크로 매니퓰레이터(10)의 재사용이 용이해진다.

상기 모터(100)는 프레임(300)에 의해 지지된다. 도 2를 참조하면, 모터(100)의 샤프트(120)는 프레임(300)의 상판(310)과 하판(320)의 중앙부를 관통하여 연결된다. 모터(100)가 프레임(300)의 중앙을 관통하여 연결됨으로써, 마이크로 매니퓰레이터(10)의 무게중심이 중앙에 집중되어 구조가 안정되며, 마이크로 매니퓰레이터(10)의 횡방향 크기가 감소되는 이점이 있다. 이 때, 샤프트(120)과 상판 및 하판(310, 320)의 연결부(121, 122)는 에폭시 등을 이용하여 고정된다. 즉, 샤프트(120)는 프레임(300)에 강성결합되지는 않고, 프레임(300)으로부터 이탈하지 않을 정도의 강도로 결합되어, 미세하게 상하로 진동가능하게 고정된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 이동체(200)는 프레임(300)의 상판(310)과 하판(320) 사이에 형성된 공간에 위치한다. 프레임(300)의 상판(310)과 하판(320)에는 통공(311, 321)이 형성되어, 전극홀더(400) 및 전극(11)이 방해받지 않고 상하로 이동할 수 있도록 해준다. 또한, 프레임(300)의 상판(310)과 하판(320) 사이에 형성된 공간 한편에는 고정샤프트(330)가 구비되어, 이동체(200)가 샤프트(120)의 진동에 의해 회전하는 것을 방지한다.

본 실시예에 따르면, 샤프트(120)가 진동함에 따라, 이동체(200)가 직선운동하게 되고, 이동체(200)가 직선운동함에 따라, 전극홀더(400)가 직선운동하게되어 이와 결합된 전극(11)이 직선운동하게 된다.

샤프트(120)를 진동시키기 위해서, 본 실시예에서는 전원을 인가하면 팽창 또는 수축되는 변형기판(111, 112)과, 변형기판(111, 112)에 부착되는 탄성기판(113)으로 구성되는 진동부(110)와, 상기 변형기판(112)에 수직한 방향으로 형성 되어 고정되는 샤프트(120)로 이루어지는 모터가 이용된다. 이러한 모터는 일명 피에조(piezo) 모터라고 불린다. 변형기판(111, 112)은 전원을 인가하면 팽창 또는 수축되는 기계적 변형을 일으키는 압전물질 또는 전왜물질로 구성된다. 변형기판(111, 112)을 이루는 압전 또는 전왜물질로는 일반적으로 단결정, 다결정 세라믹스, 고분자 등이 사용된다. 탄성기판(113)은 일정한 탄성을 가지는 탄성체이다.

도 2 및 도 3에는 변형기판(111, 112)에 각각 탄성기판(113)의 상하단에 부착된 형태의 피에조 모터가 도시되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

도 4는 본 발명에 따른 마이크로 매뉴퓰레이터(10)의 동작원리를 나타내는 개념도이다. 도 4를 참조하면, 마이크로 매뉴퓰레이터(10)의 모터(100)는 압전물질인 변형기판(111)과, 변형기판(111)과 결합되는 탄성기판(113) 및, 탄성기판(113)에 수직한 방향으로 결합되는 샤프트(120)로 이루어진다.

도 4a는 샤프트(120) 및 이동체(200)가 초기위치에 있는 상태를 도시한다. 도4a의 상태에서 변형기판(111)에 적절한 전원을 인가하여, 도 4b에 도시된 바와 같이, 변형기판(111)이 z 방향으로 수축되도록 할 수 있다. 이 때, 변형기판(111)이 z 방향으로 수축되면 포아손비(possion ratio)에 의해서 변형기판(111)이 x 방향으로는 팽창하게 된다. 변형기판(111)과 탄성기판(113)은 서로 고정되어 있으므로, 변형기판(111)이 상기와 같은 기계적 변위를 일으키면, 탄성기판(113)이 +x방향으로 굴곡되고, 이에 따라서 진동부(110)가 +x 방향으로 굴곡된다. 진동부(110)가 기계적 굴곡변위를 일으키면, 그 변위에 의해 샤프트(120)가 우측으로 이동한다. 샤프트(120)와 이동체(200) 사이에는 판 스프링과 같은 탄성체(미도시)에 의해 마찰력이 작용하고 있으므로, 샤프트(120)가 우측으로 이동하면 이동체(200)도 같이 우측으로 이동하게 되고, 이동체(200)에 고정된 전극홀더(400) 또한 우측으로 이동하게 된다. 도 4b에는 도시되지 않았으나, 전극홀더(400)에는 전극이 연결되어 있으므로, 상기와 같은 움직임에 의해 전극이 피실험체 내부로 일정 깊이만큼 전진하여 삽입된다.

이때, 도 4c에 도시된 바와 같이, 진동부(110)에 인가되던 전원이 차단되면, 진동부(110)는 탄성기판(113)의 복원력에 의하여 순간적으로 복귀하게 되고, 그 관성에 의해 +x 방향 이동거리만큼 -x 방향으로 굴곡된다. 따라서, 도 4c에 도시된 바와 같이, 샤프트(120)는 -x 방향으로 순간적으로 이동하게 된다. 이 때 이동체(200)는 일정한 중량을 가지고 있으므로, 관성의 법칙에 의해 샤프트(120)와 같이 이동하지 않고 제자리에 머물게 된다.

변형기판(111)에 다시 전원을 인가하게 되면, 도 4d에 도시된 바와 같이, 진동부(110)가 +x 방향으로 다시 굴곡되어 이동체(200)를 +x 방향으로 이동시킨다. 이 때 전원을 차단하는 과정을 다시 반복하면, 도 4e 및 도 4f에 도시된 바와 같이, 이동체(200)가 +x 방향으로 점진적으로 이동하게 된다. 여기서 변형기판(111)에 적절한 전원을 인가하면, 상기 도 4b 내지 도 4f와 반대 방향으로 변형기판(111)을 진동시켜 이동체(200)를 -x 방향으로 이동시킬 수 있음은 당업자에게 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 원리에 의해, 본 실시예에 따르면 변형기판(111)에 주기적인 펄스파 형태의 전원을 인가하여, 진동부(110)를 진동시키고, 진동부(110)가 진동함에 따라, 그와 연결된 샤프트(120)를 진동시키게 된다. 이러한 샤프트(120)의 진동은 이동체(200)를 직선운동시키게 되며, 이동체(200)에 연결된 전극홀더(400)를 직선운동시켜 전극을 피실험체의 신경세포로 근접시키거나 이탈시킬 수 있게 된다.

본 실시예에서는 피에조 모터를 이용하여 이동체(200)를 직선운동 시켜 전극을 직선운동시키고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 샤프트를 주기적으로 진동시켜, 관성의 법칙을 이용해 이동체를 직선운동 시킬 수 있는 구조라면, 본 발명에 채택이 가능하다.

또한 상기에서는 변형기판(111)에만 전원을 인가하는 것으로 설명되었으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 변형기판(111)과 탄성기판(113) 모두에 전원을 인가하여, 진동부(110)가 주기적으로 진동하도록 제어할 수도 있다. 이러한 전원 인가 특성은 샤프트(120)와 이동체(200) 사이에 위치하여 마찰력을 제공하는 탄성체의 탄성강도 및 원하는 전극 이송거리 등의 사양에 따라 다양한 변형이 가능하다는 것이 이해되어야 한다.

본 실시예에 따른 마이크로 매니퓰레이터(10)에 따르면, 모터(100)와 이동체(200)로 이루어진 간단한 구조에 의해 전극을 선형운동시켜 이송하는 것이 가능하다. 따라서, 종래 기술에 비해 구조가 작고 간단하여, 생쥐와 같은 작은 동물에게도 쉽게 장착이 가능하며, 장착 후 동물의 움직임을 제약하지 않는다는 이점이 있다.

또한, 진동과 관성의 법칙을 이용하여 이동체를 직선운동시키는 피에조 모터와 같은 구조의 모터는 종래의 다른 구동수단에 비해 구조가 간단하면서도, 높은 분해능을 가져서, 위치 정밀도 및 위치 결정력이 매우 우수하다. 따라서, 이를 이용한 마이크로 매니퓰레이터(10)는 매우 높은 분해능 및 위치 결정력을 가진다. 실측 결과 상기와 같은 피에조 모터를 이용한 마이크로 매니퓰레이터(10)는 대략 64nm 정도의 나노미터급 분해능을 가진다.

크기가 매우 작은 뇌 신경세포에서 발생되는 신호를 정밀하고 정확하게 검출하기 위해서는, 신경신호 검출에 사용되는 전극을 매우 미세하게 이송시킬 수 있어야 한다. 하지만, 종래의 수동형 마이크로 매니퓰레이터 또는 소형 모터를 이용한 마이크로 매니퓰레이터는 스크류 등의 복잡한 구성요소를 이용하여 전극을 이송시키기 때문에 같은 크기일 때 본 발명에 따른 마이크로 매니퓰레이터(10)에 비해 분해능과 그 위치 결정력이 현저히 떨어지게 된다. 즉, 수동형 마이크로 매니퓰레이터 또는 소형 모터를 이용한 마이크로 매니퓰레이터는 그 구성이 가지는 한계로 인해 나노미터급의 분해능을 가지기 위해서는 그만큼 크기가 커지고 구조가 복잡해져야 한다는 단점이 있다.

이에 비해 본 발명에 따른 마이크로 매니퓰레이터(10)는 상술한 바와 같이 간단한 구조와 높은 분해능을 가지므로 뇌 신경신호 측정용으로 쓰이는 마이크로 매니퓰레이터와 같이 무게와 크기가 작아야 하고, 전극의 위치가 매우 정밀하게 제어되어야만 하는 경우에 적합하다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 매니퓰레이터(10)의 분리사시도이고, 도 6은 도 5의 실시예에 따른 마이크로 매니퓰레이터(10)의 결합사시도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 모터(100)가 프레임(300)의 중앙부에 결합되어 있으므로, 전극(11)은 프레임(300)의 중앙부에서 비껴나서 위치한다. 전극(11)이 프레임(300)에 중앙부에서 비껴나서 위치하게 되면, 마이크로 매니퓰레이터(10)를 피실험체에 장착하고, 정해진 위치에 전극을 삽입하고자 할 때, 프레임(300)의 중심과 전극(11) 사이의 거리를 고려하여만 하므로, 마이크로 매니퓰레이터(10)의 설치가 번거로워진다.

따라서, 본 실시예에 따르면, 깔대기 형상의 가이드부재(500)가 더 포함된다. 도 6에 도시된 바와 같이, 가이드부재(500)는 프레임(300)의 하단 중앙에 결합된다. 전극(11)은 가이드부재(500) 하단에 형성된 통공을 통해 연장되어 외부로 노출된다. 가이드부재(500)에 의해 전극(11)의 끝단은 모터(100)의 샤프트(120)와 동일 축선상 즉, 프레임(300)의 중심축선상에 위치하게 된다. 따라서, 마이크로 매니퓰레이터(10) 설치시 프레임(300)의 중심을 기준으로 하면 되므로 설치가 용이해진다.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 매니퓰레이터(10)의 분리사시도이고, 도 8은 도 7의 실시예에 따른 마이크로 매니퓰레이터(10)의 결합사시도이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 마이크로 매니퓰레이터(10)는 영구자석(820) 및 자기센서(MR 센서)(810)로 이루어진 포지션 센서부(800)를 포함한다. 포지션 센서부(800)는 이동체(200)의 위치 및 변위를 측정한다.

영구자석(820)은 이동체(200)에 고정되어, 이동체(200)와 같이 직선운동하게 된다. 자기센서(810)는 영구자석(820)으로부터 방출되는 자기를 측정하여 영구자석(820)의 위치를 실시간으로 측정 감시하여, 이를 통해 이동체(200)의 위치 정보를 얻는다. 이동체(200)의 현재 위치를 측정하게 되면, 이를 통해 전극의 현재 위치를 측정할 수 있게 된다.

본 실시예에 따른 마이크로 매니퓰레이터(10)는 신호전달장치(600)를 더 포함한다. 본 실시예에서 신호전달장치(600)는 자기센서(810)로부터 측정되는 이동체(200)의 위치 정보를 외부로 전달하는 위치신호전달장치 및 외부의 제어부에서 발생된 모터 제어신호를 모터(100)로 전달하여 모터(100)를 구동시키는 제어신호전달장치의 역할을 겸용한다.

자기센서(810)로부터 측정되는 이동체(200)의 위치 정보는 신호전달장치(600)로 전달되어 외부의 제어부로 전달되고, 상기 제어부는 이동체(200)의 위치 신호를 모터(100)를 구동하기 위한 제어신호와 조합한다. 상기와 같이 조합된 모터 제어신호는 신호전달장치(600)를 통해 모터(100)로 전달된다. 조합된 제어신호는 현재 이동체(200)의 정확한 위치 정보가 반영된 신호로서 이를 통해 이동체(200)의 변위가 항상 일정하게 제어되도록 모터(100)를 구동시켜, 이동체(200)를 제어하여 신경신호 검출하기 위한 전극을 원하는 위치에 정확하게 위치시킬 수 있다.

본 실시예에 따른 마이크로 매니퓰레이터(10)의 모터(100)는 샤프트(120)의 진동을 통해 이동체(200)를 이동시켜 전극을 이동시키므로, 거리에 따라 이동체(200)의 변위 다시 말해, 전극의 변위가 다소 선형적이지 않을 수 있다. 따라서, 상술한 바와 같은 포지션 센서부(800)에 의해 측정된 이동체(200)의 위치 정보를 모터(100)를 제어하기 위한 제어부로 다시 피드백(feedback)함으로써, 이동체(200)가 일정하게 이동되도록 제어할 수 있다. 이동체(200)와 전극의 이동은 선형적인 관계에 있으므로, 이동체(200)의 이동을 제어함으로써 전극의 이동을 제어할 수 있다.

도 9는 도 7의 실시예에 따른 마이크로 매니퓰레이터의 구동 실험 결과를 나타내는 그래프이다. 그래프의 x축은 인가되는 스탭(step) 입력의 회수를 나타내며, y 축은 실제 이동체(200)의 변위를 나타낸다. 본 실험에 사용된 모터(100)는 구동 주기가 80 내지 130Hz 이고, 구동 전압이 12 내지 30V 이며, 전류가 5 내지 20mA 인 피에조 모터이다.

이동체(200)의 변위 측정은 레이저 진동계(laser vibrometer)를 이용하였으며, 이동체(200)가 1㎛ 내지 20㎛ 씩 30회 이송되도록 스탭 입력 신호를 인가하였다. 상술한 바와 같이, 모터(100)에 인가되는 펄스파 전원은 제어부에서 발생하는 신호와, 포지션 센서부(800)로부터 피드백되는 이동체(200)의 위치 정보를 조합한 제어신호이다.

도 9를 참조하면, 이동체(200)를 한 스탭에 1㎛ 내지 20㎛ 씩 변위시키고자 하는 목표 변위 입력 신호가 인가됨에 따라 출력되는 실제 변위값이 거의 선형적으로 증가하고 있는 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 실시예에 따르면, 상기 마이크로 매니퓰레이터의 높은 분해능과 포지션 센서부의 피드백 제어를 통하여 이동체(200)가 1㎛의 높은 위치 결정력을 가지고 이송될 수 있으며, 이동체(200)가 입력값과 출력값이 선형적인 특성을 가지고 정밀하게 이송되므로, 전극이 원하는 위치로 이 송될 수 있다.

상술한 바와 같이, 이동체(200)의 위치 정보가 포지션 센서부(800)에서 실시간으로 측정되고, 그 정보가 피드백되어 모터(100)를 동작시키는 신호와 조합되어 모터(100)를 정밀하게 제어하는 제어신호를 생성하고, 상기 조합된 제어신호를 모터에 인가하여 이동체(200)의 이동 변위를 거의 목표치에 가깝도록 정밀하게 제어할 수 있다. 즉, 본 발명에 따르면, 피에조 모터의 우수한 분해능과 포지션 센서에 의한 피드백 제어를 통하여 마이크로 매니퓰레이터(10)의 동작을 매우 정밀하게 제어할 수 있다.

다시 말해, 본 실시예에 따른 마이크로 매니퓰레이터(10)는 이동체(200)를 높은 분해능을 가지고 이동시킬 수 있고, 이동체(200)의 위치 정보를 피드백하여 제어함으로써 동작 중 발생하는 오차를 보완하여 이동체(200)를 정확한 위치에 위치시킬 수 있어, 결과적으로 이동체(200)에 연결된 전극을 매우 정밀하고 정확하게 이송시킬 수 있다. 따라서, 기존의 10 내지 20㎛ 정도의 분해능 및 위치 정밀도를 가지는 수동형 마이크로 매니퓰레이터보다 그 성능이 매우 우수하며, 전극을 원하는 위치에 보다 정확하게 위치시킬 수 있어서, 원하는 위치의 신경세포 신호를 검출할 수 있는 가능성이 높아진다.

도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 매니퓰레이터(10)의 분리 사시도이다.

본 실시예에 따르면, 모터(100), 이동체(200) 및 다른 구성요소를 그 내부에 고정지지하는 외부 덮개(910, 920)을 포함한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 본 실 싱예에서 외부 덮개(910, 920)는 하부 덮개(910) 및 상부 덮개(920)로 이루어지며, 상부 덮개(920)는 하부 덮개(910)와 착탈가능하다. 도 10을 참조하면, 하부 덮개(910)의 내부에 가이드부재(500)가 결합되어, 마이크로 매니퓰레이터(10)를 구성하는 장치들이 하부 덮개(910) 내부에 위치하게 된다.

도 11 및 도 12는 도 10의 실시예에 따른 마이크로 매니퓰레이터(10)의 사용상태를 나타내는 상태도이다.

도 11에 도시된 바와 같이, 마이크로 매니퓰레이터로부터 연장되는 전극을 피실험체인 쥐의 머리를 통해 삽입하고, 마이크로 매니퓰레이터(10)의 하부 덮개(910)의 외부 표면을 덴탈 시멘트(dental cement) 등과 같은 접착제를 이용해 쥐의 머리에 접착고정한다. 또한, 도 12에 도시된 바와 같이, 마이크로 매니퓰레이터(10)를 이용해 뇌 세포의 신호를 검출하고자하는 경우에는 상부 덮개(920)를 제거하고, 전선을 신호전달장치 등에 연결하여 사용한다.

상기와 같은 하부 덮개(910)에 의해서 하부 덮개(910) 내부에 위치한 장치가 접착제에 노출되어 파손되는 것을 방지할 수 있으며, 하부 및 상부 덮개(910, 920)에 의해 외부 충격으로부터 내부 장치가 보호될 수 있다는 이점이 있다.

도 1은 뇌 신경세포와 전기와의 상관관계를 규명하는 실험에 사용되는 실험 장치의 개략적인 개념도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 매니퓰레이터(10)의 사시도이다.

도 3은 도 2의 실시예에 따른 마이크로 매니퓰레이터의 부분 사시도이다.

도 4는 본 발명에 따른 마이크로 매뉴퓰레이터(10)의 동작원리를 나타내는 개념도이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 매니퓰레이터(10)의 분리사시도이다.

도 6은 도 5의 실시예에 따른 마이크로 매니퓰레이터(10)의 결합사시도이다.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 매니퓰레이터(10)의 분리사시도이다.

도 8은 도 7의 실시예에 따른 마이크로 매니퓰레이터(10)의 결합사시도이다.

도 9는 도 7의 실시예에 따른 마이크로 매니퓰레이터의 구동 실험 결과를 나타내는 그래프이다.

도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 매니퓰레이터(10)의 분리 사시도이다.

도 11 및 도 12는 도 10의 실시예에 따른 마이크로 매니퓰레이터(10)의 사용상태를 나타내는 상태도이다.

Claims (14)

1. 샤프트와 진동부를 구비하는 모터,

   상기 샤프트 상에서 이동가능하도록 연결되는 이동체, 및

   상기 모터가 지지되는 프레임을 포함하고,

   전극이 상기 샤프트의 길이방향과 평행한 방향으로 상기 이동체에 연결되어서,

   상기 진동부에 의해 상기 샤프트가 진동함에 따라, 상기 이동체가 직선운동하여 상기 전극이 직선운동하는 것을 특징으로 하는 마이크로 매니퓰레이터.
2. 제1항에 있어서,

   상기 진동부는 전원을 인가하면 팽창 또는 수축되는 변형기판과, 상기 변형기판에 부착되는 탄성기판로 이루어지고,

   상기 샤프트는 상기 변형기판 또는 상기 탄성기판에 고정되며, 상기 탄성기판과 수직한 방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 매니퓰레이터.
3. 제1항에 있어서,

   상기 이동체에 고정되며, 상기 샤프트의 길이방향과 평행한 방향으로 형성되는 전극홀더를 더 포함하고,

   상기 전극은 상기 전극홀더 내부에 장착되어, 상기 이동체에 연결되는 것을 특징으로 하는 마이크로 매니퓰레이터.
4. 제3항에 있어서,

   상기 전극홀더는 상기 이동체로부터 착탈가능한 것을 특징으로 하는 마이크로 매니퓰레이터.
5. 제1항에 있어서,

   상기 샤프트는 상기 프레임의 중앙을 관통하는 것을 특징으로 하는 마이크로 매니퓰레이터.
6. 제5항에 있어서,

   깔대기 형상의 가이드부재를 더 포함하고,

   상기 가이드부재는 상기 프레임의 하단 중앙에 결합되어, 상기 전극의 단부가 상기 샤프트와 동일축상으로 연장되도록 하는 것을 특징으로 하는 마이크로 매니퓰레이터.
7. 제1항에 있어서,

   상기 이동체의 변위를 측정하는 포지션 센서부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 매니퓰레이터.
8. 제7항에 있어서,

   상기 포지션 센서부는 영구자석 및 자기센서로 이루어지며,

   상기 영구자석은 상기 이동체에 고정되는 것을 특징으로 하는 마이크로 매니퓰레이터.
9. 제1항에 있어서,

   제어부에서 발생된 제어신호를 전달받아 상기 모터를 작동시키기 위한 제어신호전달장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 매니퓰레이터.
10. 제1항에 있어서,

    상기 전극으로부터 검출되는 신호를 외부로 전달하기 위한 신경신호전달장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 매니퓰레이터.
11. 제7항에 있어서,

    상기 포지션 센서부에서 측정되는 상기 이동체의 변위 정보를 외부로 전달하기 위한 위치신호전달장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 매니퓰레이터.
12. 제1항에 있어서,

    상기 모터와 상기 이동체 및 상기 프레임을 내부에 고정지지하는 외부 덮개 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 매니퓰레이터.
13. 제12항에 있어서,

    상기 외부덮개는 상부 덮개 및 하부 덮개로 이루어지고,

    상기 상부 덮개는 상기 하부 덮개와 착탈가능한 것을 특징으로 하는 마이크로 매니퓰레이터.
14. 제1항에 있어서,

    상기 이동체에 결합되는 판스프링을 더 포함하며,

    상기 판스프링은, 상기 샤프트와 상기 이동체가 연결되는 연결부에 위치하여 상기 샤프트와 상기 이동체 사이에 마찰력을 제공하는 것을 특징으로 하는 마이크로 매니퓰레이터.

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