KR20130001713A - 암세포 표적제거기능을 갖춘 박테리아 기반의 마이크로 로봇 - Google Patents

Abstract

본 발명은 암세포를 제거하기 위해 압전현상발생날개를 구비한 압전현상을 이용한 발열장치를 갖춘 인체 내부를 이동하는 박테리아 기반의 마이크로로봇 및 이를 이용한 치료 방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 암세포 제거를 위해 마이크로로봇의 외부에 압전현상을 발생시키는 다수개의 압전현상발생날개를 방사형으로 배열하고, 마이크로로봇의 일측에 압전현상에 의해 발열하는 발열부를 갖춘 것을 특징으로 하는 인체 내부 이동형의 박테리아 기반의 마이크로로봇이다.

Description

암세포 표적제거기능을 갖춘 박테리아 기반의 마이크로 로봇{Micro-robot of Bacterium base with Targeted Cancer-Cells Removal Function}

본 발명은 암세포를 제거하기 위해 압전현상을 이용한 발열장치를 갖춘 인체 내부를 이동하는 박테리아 기반의 마이크로로봇 및 이를 이용한 치료 방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 암세포 제거를 위해 박테리아 기반의 마이크로로봇의 일측에 압전현상발생날개를 구비한 압전현상(Piezoelectricity)을 이용한 발열부를 갖춘 것을 특징으로 하는 인체내부 이동형의 마이크로로봇이다. 상기 압전현상을 이용한 발열부는 일반적으로 암세포는 열에 약하여 43.5도 정도면 죽는 특성을 이용하여 의료용으로 이용될 수 있는 발열부를 갖춘 항암치료 방법 및 항암치료 장치를 갖춘 압전현상발생날개를 구비한 박테리아 기반의 마이크로로봇에 관한 것이다.

먼저 압전현상을 이용한 기술은 MEMS(미소기계 전기기계 시스템)기술의 하나로서, MEMS 기술은 종래의 제품을 획기적으로 변화시키는 가능성뿐만 아니라 지금까지 존재하지 않았던 제품의 제조를 가능하게 하는 기술이며, 기계적인 에너지를 전기적인 에너지로 변환시켜서 신호(signal)를 내는 것으로는 센서가 있고, power를 출력하는 것으로는 micro generator가 있으며, 전기적인 에너지를 기계적인 에너지로 변화시키는 것으로는 마이크로 액추에이터가 있는데, 이러한 MEMS 기술을 사용하여 소형화 및 집적화를 실현함으로써 지금까지 불가능하였던 시스템을 실현할 수 있는 기술이 개발될 수 있다(MEMS 기술을 이용한 에너지하베스팅 기술, 전자통신동향분석 제 23권 제 6호 2008년 12월호).

한편 기본적으로 암세포는 돌연변이 세포로 정상세포와 다른 특성을 가지고, 암세포는 그 모양이나 크기가 정상세포에 비하여 다소 변화되어 있으며, 암세포의 핵에는 정상세포에 비해 염색체가 많고, 핵의 원형질에 대한 비율이 정상세포에 비해 크며, 핵소체를 가지고, 자주 핵분열상을 나타낸다. 이러한 특징을 이형성(異型性)이라고 하는데 이형성이 강한 것이 암세포의 특징이다. 암세포와 정상세포의 또 다른 차이점은 암세포는 정상세포와 달리 암세포에는 핵이 크고 뚜렷한 핵소체가 있는데, 이러한 차이점때문에 암세포가 끊임없이 세포 분열을 일으키면서 성장하게 한다. 이러한 끊임없는 성장으로 암세포는 암세포 주위의 정상조직을 밀치거나 뚫고 나가면서 정상세포를 파괴 또는 침식하게 된다. 또한 암세포는 정상세포에 비하여 열에 약한 특성을 가지는데, 암세포는 열에 약하여 43.5도 정도가 되면 죽으며, 종양 주위에는 무수히 많은 모세혈관이 형성되어 있지만 울혈 현상으로 인해 영양분이 제대로 공급되지 않기 때문이다. "Nanomechanical analysis of cells from cancer patients"(Nature biotechnology published online, 02 December 2007)에 따르면 악성종양 조직의 세포구성은 정상조직에 비하여 불안정한 상태에 있으며 세포를 이루는 세포막의 탄성도가 정상세포에 비하여 매우 높은 차이점을 가진다. 원자력현미경(AFM: Atomic Force Microscope)을 이용하여 세포막의 탄성(Young`s modulus; E)을 측정한 결과 암세포(E = 0.53 플러스마이너스 0.10 kPa)는 정상세포(E = 1.97 플러스마이너스 0.70 kPa)보다 훨씬 부드러운 것으로 판명되었다. 즉, 전이암세포는 정상세포와 형태가 매우 유사함에도 불구하고, 탄력성이 워낙 뛰어나므로 쉽게 구별할 수 있다. 상기 전술한 암세포와 정상세포의 차이점을 이용할 수 있다면 암세포만이 가진 특성을 이용하여 항암치료시 대상체가 가진 정상세포에 주는 피해를 최소화 하고 암세포만을 사멸시키는 항암치료방법 및 항암치료장치를 개발하는 데 도움을 줄 수 있다.

이러한 암을 제거하기 위해 다방면으로 연구가 진행 중에 있으며, 실제 다양한 방법이 적용되고 있다. 그 중 하나를 설명하면, 작은 바늘을 암세포가 증식된 부위에 인입시킨 상태에서 전력을 인가하여 발생된 열을 이용하여 암세포를 제거하는 방법이 있다. 그런데, 이러한 방법의 경우, 신체 내의 종양 부위에 바늘을 직접 침투시켜서 치료 작업을 실행하는 침투식 방법이기 때문에, 정확히 종양 부위에 바늘을 위치시켜야 하는 어려움이 있을뿐더러 가령 바늘 침투가 정확하게 이루어지지 않는 경우 정상 세포까지 파괴시키며 환자에게 수술의 고통을 주는 문제점이 있다. 따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위해, 침투식 방법이 아닌 비침투식 방법이 적용될 수 있는데, 이러한 비침투식 방법 중 대표적인 것이, 신체 내에 카본 나노 튜브를 인입시키고 근적외선을 이용하여 카본 나노 튜브를 가열함으로써 암세포를 제거하는 것이다. 그런데, 이러한 방법의 경우 소정 파장의 근적외선이 신체의 피부와 인접한 부분에 위치되는 카본 나노 튜브는 가열할 수 있어도 신체 깊숙이 배치되는 카본 나노 튜브는 가열하지 못하는 한계가 있으며, 이에 따라 종양의 크기 또는 분포에 따라 적용이 어려운 문제점이 있다. 한편, 암세포를 제거하기 위한 비침투식 방법으로, 축전 결합 형태의 고주파로 신체 내에 인입된 카본 나노 튜브를 가열시킴으로써 암세포를 제거하는 방법이 있다. 그런데, 이러한 방법의 경우, 축전 결합 형태의 고주파를 송신 및 수신하기 위한 송신부 및 수신부가 별도로 요구되며, 이에 따라 장치 구현이 복잡하다는 단점이 있으며, 아울러 카본 나노 튜브의 도전율에 따라 에너지 흡수율의 변화가 커서 암세포 제거의 신뢰성이 저하될 수 있는 문제점이 있다.

따라서, 외과적 수술이 필요 없는 비침투식으로 암세포만을 선택적으로 파괴시킬 수 있으면서도, 장치 구현을 용이하게 할 수 있으며, 또한 신체 중 피부로부터 깊숙한 곳에 위치한 암세포까지도 확실하게 파괴시킬 수 있는 새로운 구조의 의료 장치의 개발이 필요한 실정이다.

한편 항암치료는 대표적으로 암세포가 있는 국소부위만을 집중적으로 치료하는 국소적치료방법과 대상체의 전신을 대상으로 치료하는 전신치료방법으로 나뉠 수 있다. 국소적치료방법으로는 대표적으로 외과적 수술을 이용하여 암세포를 인체에서 적출하는 방법, 방사선치료로 고에너지를 가진 방사선을 이용하는 방법이 있다. 외과적 수술이나 방사선치료와 같은 국소적 치료방법과 달리 약물치료는 전신적 항암치료요법으로 항암제를 통해 이루어진다. 상기 전술한 항암치료방법들은 개별적으로 이루어지는 것이 아니라 대부분의 항암치료는 수술요법, 방사선요법, 약물치료등을 병행하여 이루어 지게 된다. 그중에 외과적 수술을 이용하는 항암치료방법은 현재 암치료에 있어 약물치료나 방사선치료에 우선하여 실시되는 항암치료 방법이다. 현재는 로봇을 이용한 수술장치를 활용하여 정확하게 암세포만을 제거하거나, 외과적인 수술이 어려운 뇌하수체 종양 전이성 뇌종양의 경우 감마나이프를 이용하여 외과적 수술을 할 수 있는 수술기술이 발달해 있다.

다른 항암치료방법으로 항암제를 사용한 약물요법이 있다. 항암제는 빠르게 분열하는 암세포의 특성을 이용하여 세포의 분열을 막는 약물을 쓰는 방법이다. 약물치료는 정상적으로 분열하는 세포 역시 공격할 수 있다는 단점을 가지고 있다. 이러한 약물치료의 한계를 극복하기 위하여 현재는 암세포만을 골라서 사멸시키기 위한 표적항암제(Targeted Chemotherapeutic Agent)에 대한 연구가 지속적으로 진행중이다. 암세포의 생성 및 증식에 관여하는 신호전달경로를 억제하는 신호전달억제제 (Signal transduction inhibitor), 암세포가 일정한 크기 이상의 성장을 하기 위해 필요로 하는 새로운 혈관형성을 차단하는 신생혈관형성 억제제 (Angiogenesis inhibitor), 암세포의 예정된 세포사멸을 유도하여 세포증식을 차단하는 새로운 세포사멸 유도제 (Apoptosis Inhibitor) 등이 바로 암세포만을 표적으로 정상세포와 구별하여 사멸시키기 위한 대표적인 표적항암제이다.

또 다른 항암치료방법인 방사선치료는 외과적 수술과 마찬가지로 국소적으로 암세포가 존재하는 부위만을 대상으로 하는 항암치료방법이다. 선형가속기를 이용하여 만든 고에너지의 X선이나 전자선을 환자 몸 내부의 종양까지 투과시켜 암세포를 죽이는 방법으로 수술에 비하여 짧은 시간 안에 통증없이 할 수 있는 항암치료 방법이다. 또한 방사선치료기기에 CT, MRI, PET와 같은 영상 장치 기능을 추가시킴으로 치료 전과 후의 신체 내 종양의 이미지 변화를 3차원적으로 비교 할 수 있는 영상 유도 방사선 치료(IGRT:Image Guided Radiotherapy)가 개발되어 사용되고 있다.

대표적으로 고 에너지 엑스레이를 이용한 방사선 치료기와 전산화 단층촬영이 가능한 CT(Computerized Tomograpy)를 접합한 토모치료기 (Tomotherapy)는 암 환자의 몸에 있는 종양의 위치를 3차원적을 확인하고 정교하게 계산된 5만 개 이상의 작은 방사선 조각을 360도 회전하면서 조사하여 방사선 치료를 할 수 있다. 토모테라피의 가장 큰 장점은 CT가 내장돼 있어 매일 암의 크기를 체크할 수 있다는 것이다. 또한 종양의 크기와 모양, 수에 관계없이 여러 군데 흩어져 있는 암 덩어리를 한 번에 치료하며, 컴퓨터 시스템과의 연결을 통해 CT화면을 실시간으로 제공받아 환자에게 분포된 종양의 정확한 위치를 파악한 후, 방사선을 효과적으로 집중 조사하는 방식으로 운영된다. 암이 여러 군데에 흩어져 있거나 넓게 자리 잡은 경우 기존에는 여러 번에 나누어 치료를 시행했으나 토모테라피는 한 번에 치료를 할 수 있고 방사선 치료의 부작용도 줄일 수 있다.

상기 전술한 대표적인 항암치료방법을 제외한 항암치료에 사용되는 방법으로는 암세포가 열에 약하다는 특성을 이용하여 고강도 초점 초음파(HIFU, High Intensity Focused Ultrasound)를 이용하여 암을 치료하는 방법이 있다.

또한 항체독소를 이용한 암세포 치료도 있는데, 항체독소(immunotoxin)는 사람의 암세포에 특이적으로 접착하는 단일항체의 접착부위와 박테리아 독소단백질의 독성 부위만을 재조합시켜 중합체를 형성하고 이를 이용하여 암세포를 치료하는 것을 말한다. 그러나 이러한 방법으로 암세포를 치료하는 경우 항체 독소가 암세포 도달하기도 전에 몸의 면역체계가 항체독소를 공격함으로써 그 효과가 반감되는 문제가 있었다. 최근 들어 플라즈마를 이용한 암세포 치료 방법이 시도되고 있다. 그러나 이러한 플라즈마를 이용한 암세포 치료에 있어서 플라즈마가 암세포를 죽이는데 효과적이기는 하지만 정상세포와 암세포를 구별할 능력이 없으므로 플라즈마가 정상세포와 암세포에 모두 영향을 미치게 되는 단점이 있었다.

한편, 마이크로로봇 관련해서는 마이크로 캡슐형 로봇과 같은 내시경 마이크로 캡슐형 로봇은 인체의 내부에서 이동 또는 이동 지연에 관한 것인데, 내시경은 주로 인체 내의 장기(臟器)의 병변을 수술 없이 검사 또는 치료하는 경우에 사용된다. 그러나, 대장 내시경 진료를 받을 경우 고통과 불쾌감이 크기 때문에 환자들로부터 환영받지 못했다. 이는 대장이 매우 깊은 각도로 구부러져 있기 때문에 대장 내시경 시술 시 환자가 받는 고통과 병변 판단율이 의사의 경험과 숙련도에 크게 좌우되기 때문이다.

최근에는 대장 내시경 시술의 이런 문제를 개선하기 위해서 가상 내시경 (Virtual Colonoscopy) 또는 유전자 검사법 등이 등장하기도 했다. 그러나 이것은 의사가 환부를 직접적으로 보고 처치하거나 생검 (生檢;Biopsy)등을 할 수 없기 때문에 간접적인 방법으로 평가된다. 또한, 삼킬 수 있는 캡슐을 개발하여 소장의 영상정보를 외부로 전송시킴으로써 그동안 전통적인 내시경으로는 볼 수 없던 소장 부위를 진단하게 함으로써 의료적 진단의 범위를 넓히고자 했다.

이러한 종래의 마이크로 캡슐형 내시경은 내부에 장착된 카메라 시스템에서 얻은 정보를 무선 송신 모듈을 이용하여 외부에 보냄으로써 이전까지는 검사가 어려웠던 소장 영역까지 검사 영역을 확장할 수 있었다.

그러나, 이러한 무선 카메라 시스템을 장착한 마이크로 캡슐의 장기(臟器) 내 이동은 장기(臟器)의 자연스러운 연동 운동에만 의존하기 때문에 의사가 특정한 위치를 자세히 관찰하고자 할 경우에도 이를 위해 마이크로 캡슐을 정지시키거나 속도를 조절하거나 특히 배가할 수 없었다. 이는 장기(臟器) 검사용 마이크로 캡슐에 영상정보 전송 시스템은 장착이 되어 있지만, 정지하거나 줄이거나 배가하기 위한 기능을 포함되어 있지 않았기 때문이다.

한편 이러한 마이크로로봇의 기술 분야의 개발현황에 대해서는 한국전자통신학회 2012년 8월호인 학회논문지 제7권 제4호 SWOT분석을 통한 한국 마이크로 로봇의 발전방안(이상윤)에 상세히 나와 있다. 논문에 따르면, 한국의 마이크로 로봇의 기술진보 현황은 크게 세 단계로서 장기내부에서 이동성을 가진 내시경형 마이크로 로봇에서, 관탐사 마이크로 로봇, 그리고 혈관 내부 이동의 마이크로 로봇으로 진행되어왔고, 이후 박테리아 기반의 마이크로로봇과 유체가압추진방식의 마이크로로봇으로 발전했다.

먼저 병변 치료용 박테리아 기반의 마이크로로봇은 박테리아의 구동성, 인지성, 형광성, 치유성 등을 이용하여 구성되는 마이크로로봇으로 여기서의 박테리아는 유전자조작을 통하여 다양한 성질을 갖도록 조작한 박테리아의 특성을 이용하여 의료용을 이용될 수 있는 박테리아 기반의 마이크로로봇을 구현한 것이며, 유체가압추진방식의 마이크로봇은 혈관탐사 마이크로 로봇 구동시스템에 관한 것으로, 특히 구동수단에 의해 발생된 구동력을 사용하고 기구적인 구조를 통해 캡슐내부에 있는 유체가압추진장치가 작동하므로 여러 방향으로 이동시킬 수 있는 캡슐형 마이크로로봇의 구동 시스템에 관한 것인데, 마이크로 로봇 내부에 설치된 유도관을 통해 유입된 혈액을 역시 마이크로 로봇 내부에 설치된 가압펌프를 이용하여 가압한 후 로봇 후미로 배출시킴으로써 추진력을 얻는 유체를 이용한 혈관탐사 마이크로 로봇을 구현한 것이었다.

한편 최소침습수술(minimal invasive surgery)로봇 관련해서, 먼저 의학적으로 수술이란 피부나 점막, 기타 조직을 수술기구를 사용하여 자르거나 째거나 조작을 가하여 병을 고치는 것을 말한다. 특히, 수술 부위의 피부를 절개하여 열고 그 내부에 있는 기관 등을 치료, 성형하거나 제거하는 개복 수술 등은 출혈, 부작용, 환자의 고통, 흉터 등의 문제를 야기한다. 이에 대해, 피부를 절개하는 대신 작은 삽입공(孔)을 천공하고, 이를 통해 내시경, 복강경, 수술기구(surgical instrument), 미세수술용 현미경 등의 수술기구를 삽입하여 체내에서 수술이 이루어지도록 하는 최소 침습 수술이 각광받고 있다. 한편, 이러한 최소 침습 수술은 집도의에 의해 수동으로 진행될 수도 있으나, 최근에는 시술자가 직접 기구를 조작하는 대신 수술용 로봇을 사용하여 기구를 정교하게 조작하여 수술을 수행하는 로봇 수술이 대안으로서 제시되고 있다. 로봇 수술을 위한 수술용 로봇은, 기구의 조작에 의해 필요한 신호를 생성하여 전송하는 마스터(master) 입력장치와, 마스터 입력장치로부터 신호를 받아 직접 환자에 수술에 필요한 조작을 가하는 슬레이브(slave) 로봇으로 이루어지며, 마스터 입력장치와 슬레이브 로봇을 통합하여 구성하거나, 각각 별도의 장치로 구성하여 수술실에 배치하게 된다. 슬레이브 로봇에는 수술을 위한 조작을 위해 로봇 암(robotic arm)을 구비하게 되며, 로봇 암의 선단부에는 수술기구가 장착된다.

이하 압전현상인 압전효과를 이용한 마이크로 동력변환 장치에 대해 설명하면, 압전재료의 특성은 재료가 외부에서의 힘 또는 스트레스를 받아 휘거나 구부러지면 전기에너지가 발생하는 것인데, 여기서 외부의 스트레스를 주는 방법은 주로 압전재료를 박막의 cantilever를 제작한 다음에 끝에다가 mass를 만든 다음 상하에 영구자석을 두어 vibration을 발생하거나 방사선 물질을 이용하여 압전 박막빔 cantilever가 vibration을 일으키도록 한다. 또한 외부의 유체 또는 공기의 흐름을 이용한 연구도 있다(MEMS 기술을 이용한 에너지하베스팅 기술, 전자통신동향분석 제 23권 제 6호 2008년 12월호).

좀 더 상세히 살펴보면, 소정의 특정한 결정군에서는 압전현상(Piezoelectricity)이 존재한다. 도1에 도시한 바와 같이, 중앙에 위치한 B 원자가 압력에 의해 위치가 바뀜으로 인하여 전기적 극성이 생기고 이로 인해 전류가 생기는 현상을 압전현상이라 한다. 이러한 결정군을 갖는 물질은 그 화학식이 ABO3 이며, 이 중 PbZrO3 또는 PbTiO3가 가장 효율이 좋은 압전체로 PZT라 불리운다. 도2에 도시한 바와 같이, 정압전 효과는 압전 재료에 힘 또는 응력을 가할 때 전하가 발생되는 것을 칭하며, 역압전 효과는 이와는 반대로 압전 재료에 전류가 흐를 때 응력이 발생하여 변위를 일으키는 효과를 칭한다. 이와 같이, 압전 현상으로 인하여 전기적 에너지와 기계적 에너지의 상호 변환이 가능하며, 상술한 압전 현상 중 정압전 효과는 기계적인 변화를 전류의 형태로 검출하는 센서 분야에서 널리 이용되며, 역압전 효과는 주로 액추에이터의 원리로 이용된다. 압전소자를 이용한 발전에 관련된 종래 기술로서, 다수의 압전소자를 이용하여 로타리 타입 또는 압착타입으로 구현하여 사용자가 간편하게 수동으로 전력을 발전시켜 그 전력을 내장된 2차 배터리에 간편히 충전할 수 있도록 한 발전수단을 들 수 있는데, 이 발전수단은 다수의 압전소자가 원형 또는 일렬로 배열되어 이를 타격부재로 순차적으로 타격하여 고전압을 발생시킨다.

한편 본 발명의 암세포를 제거하기 위해 압전현상을 이용한 발열장치를 갖춘 인체 내부를 이동하는 박테리아 기반의 마이크로로봇과 유사한, 암세포제거장치로는 전자기 유도를 이용한 의료 장치(한국공개특허 10-2011-0085708)가 있는데, 이는 시변 전류(time varying current)를 공급하는 전력 공급부, 전력공급부로부터 공급되는 시변 전류에 의해 유도 전기장을 발생시키는 전자기 유도부 및 신체에 인입되며, 전자기 유도부에 의해 발생된 유도 전기장에 의해 가열되어 신체 내의 암세포에 열을 가함으로써 암세포를 제거하는 발열 유도 물질을 포함한 것이다. 암세포 치료용 중합체 및 대기압 플라즈마 장치(한국등록특허 10-1076677)는 암세포 치료용 중합체 및 대기압 플라즈마 장치에 관한 것으로, 특히 암세포에서만 특이적으로 과다 발현되는 항원에 대한 항체와 금나노입자를 결합하여 생성되는 암세포 치료용 중합체 및 이 중합체가 결합된 암세포의 치료를 위해 대기압 플라즈마를 발생시키는 대기압 플라즈마 장치에 관한 것이다. 초음파를 이용한 항암치료 방법 및 항암치료 장치(한국공개특허 10-2011-0098153)는 초음파의 기계적 진동을 이용하여 암세포를 사멸시키기 위한 초음파의 간섭현상을 이용한 항암치료 방법 및 항암치료 장치로서 영상의료장치는 대상체의 3차원 영상을 획득하여 대상체의 해부학적 정보 및 대상체가 가진 암세포의 정보를 추출하는 대상체 정보 추출부와 추출된 암세포의 정보에 기초하여 대상체의 암세포에 초음파를 발생시키는 복수의 초음파발생기를 포함하는 초음파발생부를 포함한 것이다.

한편 최소침습수술로봇 관련해서는 수술용 로봇 시스템 및 수술용 로봇 시스템의 내시경 구동방법(한국공개특허 10-2012-0052574)이 있고, 다자유도를 갖는 복강경 수술용 로봇 및 그의 힘 측정방법(한국등록특허 10-0778387)이 있다.

또한 마이크로로봇에 관련된 것으로는 먼저 관탐사 마이크로 로봇이란 관 내부를 촬영할 수 있는 초소형 카메라를 비롯해 부식부위을 떼어내는 핀셋, 외부

에 관 내부 영상을 보낼 수 있는 통신장비, 기타 진단을 위한 장비 등 최첨단 장

비가 장착되어 사용자가 관내를 관찰하는 것과 같이 목적이 있는 부위를 검사하

는 등 그 상태를 알아낼 수 있는 마이크로 로봇을 말한다. 이러한 마이크로 로봇

을 개발하면 관등의 탐사시 내시경 촬영뿐만 아니라 간단한 청소, 코팅 등이 가

능하며, 국내특허(등록번호:10-0812650)로는 크롤링 방식을 이용한 관탐사 마이크로 로봇 등이 있다. 또한 마이크로 캡슐형 로봇에 관한 것으로는 국내 특허(등록번호:10-0482275), 곧 인체의 내부에서 이동 또는 이동 지연에 관한 것인 마이크로 캡슐형 로봇과 같은 내시경이 있고, 관내자율주행형 로봇구동 시스템(국내특허 등록번호:10-0839546), 관내주행장치(국내특허 등록번호:10-0877451), 캡슐형 마이크로 로봇구동 시스템(국내특허 등록번호: 10-0702155)가 있다. 한편 병변 치료용 박테리아 기반의 마이크로로봇(국내등록특허 10-1003149)은 환경이나 질병을 인식하는 박테리아의 인지성을 이용하여 병변을 표적화하여 이동하고, 또한 박테리아의 자체 형광 발현성을 이용하여 병변에 마이크로로봇이 얼마나 표적화되었는지를 분석할 수 있고, 또, 인체 내 면역반응에 둔감하고 자가 분열하여 증식 가능하며 질병에 대한 자체적이거나 간접적인 치료능력을 가지고 있는 박테리아를 이용한 마이크로로봇이며, 유체가압추진방식을 이용한 혈관탐사 마이크로 로봇(국내등록특허 10-1165353)은 마이크로 캡슐형 로봇에 있어 혈액을 이용한 추진장치가 구비된 혈관탐사 마이크로 로봇에 관한 것으로 혈액의 흐름을 따라 상이한 직경차를 형성한 하나 이상의 연결구조로 이루어지면서 내측에 개폐수단이 구비되는 유도관과 상기 유도관의 내측으로 유입되는 혈액을 가압토록 설치되고 외부동력으로 가동이 이루어지는 가압펌프로 구성되는 것이다.

한편 도 3에 도시한 바와 같이, 일반적으로 이상과 같은 마이크로로봇은 위치정보제공부(210), 구동부(220), 치료부(230), 로봇제어부(240),데이터송수신부(250), 전원부 혹은 무선전력수신부(260), 센싱부(270), 동력원부(280) 등으로 구성된다.

이러한 구성요소들 중에서도 치료부(230)는 마이크로로봇에 있어 실제로 인체 내부에서 이동 중 병변에 접근하여 그 병변을 치료 혹은 제거하는 장치로서, 예를 들어 박테리아에 의해 병변에 이동한 마이크로로봇은 진단에 의해 약물을 병변의 표면에 분사하여 외부에서 치료하고, 이때 박테리아는 증식되어 병변의 내부로 진입하여 그 내부에서 치료한다. 또한 미생물을 이용하여 마이크로 로봇을 구동하는 방법은 곧 편모(flagella)을 가진 박테리아를 이용하여 마이크로 로봇의 구동부 요소로 쓰는데, 박테리아 중에 flagellar을 가진 박테리아는 대략 20-100m/s의 속도로 빠른 유영 운동을 한다는 점에서, 이는 약 100Hz 속도로 회전하는 강력한 biomolecular motor가 된다. 이때 편모는 각각 basal body, hook, filament로 이루어져 있으며, filament는 길이가 약 10um, 20nm 원통의 helix 구조(2.5um pitch, 0.5um지름)로 이루어져 있다(한국전자통신학회 2012년 8월호, 학회논문지 제7권 제4호 SWOT분석을 통한 한국 마이크로 로봇의 발전방안, 이상윤)

그러나 실제 마이크로로봇의 크기제한과 기능제한으로 이러한 약물전달인 박테리아를 이용한 치료는 한계가 있으며, 그 외의 캡슐형 마이크로로봇의 경우는 역시 크기와 기능제한으로 구체적인 치료 혹은 암세포 제거수단을 로봇에 갖추지 못한 실정이며, 혈관탐사용 마이크로로봇의 경우는 로봇의 몸체를 병변에 충돌시키는 방법으로 병변제거동작을 하여, 병변충돌에 대한 정밀한 동작제어에서 한계가 있고, 특히 암세포의 경우에 있어서는 충돌방식은 적합하지 않으며, 정밀하고 정확하고 미세한 제거동작이 필요한 점에서 제한이 있다.

한편 최소침습수술로봇에서는 수술용 도구와 절개공을 통하여 도구를 움직여야 하는 어려움 등으로 인하여 복잡한 작업이 필요한 수술로 알려져 왔는데, 그중 가장 심각한 제한 요인은 수술용 도구의 자유도 감소이다. 현재 사용되는 있는 수술용 도구들은 입구가 되는 트로카를 통해서 트로카를 중심으로 하는 회전을 하기 때문에 자유도에 있어 한계가 있으며, 지렛대의 받침 역할을 하고 있는 트로카의 움직임과 제한된 작업공간도 수술을 어렵게 만드는 하나의 요인으로 작용하고 있다. 따라서 이러한 단점으로 인하여 원격조정을 통한 수술용 로봇의 필요성이 꾸준히 제기되고 있다.

또한 피부를 절개하는 대신 작은 삽입공(孔)을 천공하고, 이를 통해 내시경, 복강경, 수술기구(surgical instrument), 미세수술용 현미경 등의 수술기구를 삽입하여 체내에서 수술이 이루어지도록 하는 최소 침습 수술에서, 이러한 최소 침습 수술은 집도의에 의해 수동으로 진행될 수도 있으나, 최근에는 시술자가 직접 기구를 조작하는 대신 수술용 로봇을 사용하여 기구를 정교하게 조작하여 수술을 수행하는 로봇 수술이 대안으로서 제시되고 있는데, 로봇 수술을 위한 수술용 로봇은, 기구의 조작에 의해 필요한 신호를 생성하여 전송하는 마스터(master) 입력장치와, 마스터 입력장치로부터 신호를 받아 직접 환자에 수술에 필요한 조작을 가하는 슬레이브(slave) 로봇으로 이루어지며, 마스터 입력장치와 슬레이브 로봇을 통합하여 구성하거나, 각각 별도의 장치로 구성하여 수술실에 배치하게 된다. 슬레이브 로봇에는 수술을 위한 조작을 위해 로봇 암(robotic arm)을 구비하게 되며, 로봇 암의 선단부에는 수술기구가 장착되는데, 시술자는 마스터 입력장치를 조작하여 수술을 진행할 수 있다. 그러나 상기와 같은 수술용 로봇을 이용한 시술의 진행과정에서, 시술자는 수동조작을 통하여 내시경의 방향을 조정하여 동작을 하는데, 이와 같은 내시경의 수동조작은 직관적이지 못하고 조작이 어려워 장기간의 수련을 통해서만 사용이 가능한 문제점이 있다.

본 고안은 상기한 종래 기술에서의 문제점을 개선하기 위해 제안된 것으로서, 기존의 전자기 유도를 이용한 의료 장치(한국공개특허 10-2011-0085708)등과 같은 발열부를 이용한 암세포 제거 장치들의 경우는 인체의 외부에서 인체 내부에 위치한 암세포에 대해 열을 조사함으로써 정상세포 파괴의 위험이 있으며, 최소침습수술로봇에서는 인체 내부에 위치한 암세포 등을 제거하기 위해 인체 외부에서 수술용 도구와 절개공을 통하여 도구를 움직여야 하는 어려움 등으로 인하여 수술용 도구의 자유도 제한문제가 있고, 내시경의 수동조작은 직관적이지 못하고 조작이 어려워 장기간의 수련을 통해서만 사용이 가능한 문제점이 있으며, 기존의 박테리아 기반의 마이크로로봇의 경우는 마이크로로봇의 크기제한과 기능제한으로 약물전달인 박테리아를 이용한 치료는 한계가 있고, 그 외의 캡슐형 마이크로로봇의 경우는 역시 크기와 기능제한으로 구체적인 치료 혹은 암세포 제거수단을 로봇에 갖추지 못한 실정이며, 혈관탐사용 마이크로로봇의 경우는 로봇의 몸체를 병변에 단순히 충돌시키는 방법으로 병변제거동작을 하여, 병변충돌에 대한 정밀한 동작제어에서 한계가 있고, 특히 암세포의 경우는 이 충돌방식이 적합하지 않으며, 보다 정밀하고 정확하고 미세한 제거동작이 필요한 점에서 제한이 있다.

따라서 기존의 마이크로로봇은 마이크로로봇의 크기제한으로 복잡하거나 혹은 구체적인 암세포 제거수단을 로봇에 장착하기 어려운 점에서, 또한 마이크로로봇의 기능제한으로 암세포에 대한 단순충돌 이상의 정밀하고 미세한 암세포제거동작을 로봇이 수행하기 어려운 점에서, 안출된 암세포 표적제거 기능을 갖춘 박테리아 기반의 마이크로로봇은 암세포 제거를 위해 마이크로로봇의 일측에 압전현상을 발생시키는 압전현상발생날개를 마이크로로봇의 외부에 전력을 충분히 확보하기 위해서 방사형으로 다수개로 배열하여, 이를 이용한 발열부를 갖춘 것을 특징으로 하여, 상기 압전현상을 발생시키는 압전현상발생날개는 상기 마이크로로봇의 외부에 장착되어 압전현상을 발생시켜 로봇이 전원이 되는 것으로, 이를 이용한 발열부는 일반적으로 암세포가 열에 약하여 43.5도 정도면 죽는 특성을 감안하여, 이러한 압전현상발생날개를 로봇의 외부에 다수개로 배열하여, 압전현상을 이용한 발열부의 발열기능을 갖춘 인체 내부를 이동하는 박테리아 기반의 마이크로로봇을 제공함을 목적으로 한다.

상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은, 암세포를 제거하기 위해 압전현상발생날개를 구비한 압전현상을 이용한 발열부를 갖춘 인체 내부를 이동하는 박테리아 기반의 마이크로로봇으로, 마이크로 로봇 본체와, 상기 마이크로 로봇의 후면과 둘레에 부착되어 병변을 찾아가는 이동성과 인지성을 가진 박테리아; 상기 마이크로 로봇의 외부에 장착되어 압전현상을 발생시켜 로봇의 전원이 되는 압전현상발생날개; 상기 마이크로 로봇 외부에 장착된 압전현상발생날개에 작용하는 혈압을 통한 압전소자에 가해지는 충격을 통해 전기에너지를 발생시키는 에너지발생부; 상기 마이크로로봇 외부 일측에서 상기 에너지발생부에서 직접 전력을 공급받아 열을 발생시키는 인체 내부에서 보다 정밀하고 미세하게 암세포에 대해서 발열기능을 하는 발열부; 로봇이 암세포에 접근한 뒤 로봇사용자에 의해 암세포제거를 위한 43.5도와 같은 미리 설정된 온도가 상기 발열부에서 일정하게 유지되도록 하고, 이동성과 인지성을 가진 상기 박테리아에 의해 로봇이 암세포에 도착할 시 암세포에 대한 로봇의 접근을 감지하여, 상기 발열부의 발열되는 시작시간, 종료시간, 또는 지속시간이 미리 설정된 바와 같이, 조절되도록 하는 로봇제어부; 로 구성된 것을 특징으로 하는 마이크로로봇이다. 이러한 상기 박테리아는 스스로 움직이는 이동능력을 가진 편모를 구비하여 캡슐형태의 마이크로구조체 몸체둘레에 부착시켜 박테리아의 이동성과 인지성을 이용하여 암세포 추적에 의해 마이크로로봇이 암세포에 이동한다.

이러한 암세포를 제거하기 위해 압전현상발생날개를 구비한 압전현상을 이용한 발열부를 갖춘 인체 내부를 이동하는 박테리아 기반의 마이크로로봇은 인체 내부에서 암세포에 접근한 뒤 발열부에서 발열기능을 작동하여 암세포만을 정밀하고 미세하게 죽이거나 치료하며, 상기 발열부의 온도는 로봇제어부에 의해 조절되어 인체 내부 이동 중에는 발열하지 않도록 하여, 정상세포파괴를 최소로 하고, 암세포에 접근한 뒤 암세포를 죽이기 위해 발열기능을 작동할 시 미리 설정된 온도에 따라 작동하여 그 안전성을 최대로 고려한 것을 포함함을 특징으로 하는 암세포를 제거하기 위해 압전현상발생날개를 구비한 압전현상을 이용한 발열부를 갖춘 인체 내부를 이동하는 박테리아 기반의 마이크로로봇을 제공한다.

아울러, 압전현상발생날개를 구비한 압전현상을 이용한 발열부를 갖춘 인체 내부를 이동하는 박테리아 기반의 마이크로로봇을 이용한 치료방법으로, 이동성과 인지성을 가진 박테리아에 의해 마이크로로봇이 인체 내부의 암세포를 찾아 이동하는 이동단계; 상기 이동성과 인지성을 가진 박테리아에 의해 마이크로로봇이 상기 암세포에 위치하는 접촉단계; 상기 접촉단계에서 상기 마이크로로봇이 암세포에 대한 접촉을 인지하면, 상기 마이크로로봇에 장착된 압전현상발생날개에 의해 압전현상이 발생하여, 사용자에 의해 미리 설정된 바와 같이, 발열부의 발열온도를 유지하고, 상기 발열부에서 발열되는 시작시간, 종료시간 또는 지속시간을 설정된 바와 같이 유지하여 발열하는 발열단계; 상기 발열단계에서 사용자에 의해 미리 설정된 바와 같이 발열이 시작되고, 사용자에 의해서 미리 설정된 바와 같이, 발열부 온도 및 시작시간, 종료시간 또는 지속시간의 발열시간이 미리 설정된 바와 같이, 발열하여 미리 설정된 시간이 달성되면, 로봇제어부가 이를 인식하여 에너지발생부에 전력을 단절하여 열 발생을 중단시키는 발열중단단계;로 구성된다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 암세포를 제거하기 위해 압전현상발생날개를 구비한 압전현상을 이용한 발열부를 갖춘 인체 내부를 이동하는 박테리아 기반의 마이크로로봇은 암세포 제거를 위해 마이크로로봇의 일측에 압전현상발생날개를 구비한 압전현상을 이용한 발열부를 갖춘 것을 특징으로 하는 인체내부 이동형의 박테리아 기반의 마이크로로봇으로서, 일반적으로 암세포가 열에 약하여 43.5도 정도면 죽는 특성을 이용하여, 암세포에 접근한 뒤 암세포를 제거하기 위한 목적에서, 인체 내부를 이동하는 박테리아 기반의 마이크로로봇의 일측에 구비된 압전현상발생날개를 통하여 압전현상을 이용한 발열부를 이용하여 암세포를 치료하거나 죽이는 효과가 있다.

특히 암세포 치료 및 제거를 위해서는 주변 정상세포 파괴문제가 항상 문제점으로 지적되고 있는 점에서, 안출된 상기 암세포를 제거하기 위해 압전현상발생날개를 구비한 압전현상을 이용한 발열부를 갖춘 인체 내부를 이동하는 박테리아 기반의 마이크로로봇은 기존의 전자기 유도를 이용한 의료 장치(한국공개특허 10-2011-0085708)등과 같은 발열부를 이용한 암세포 제거 장치들의 문제점인 인체의 외부에서 인체 내부에 위치한 암세포에 대해 열을 조사함으로써 발생하는 정상세포 파괴의 위험을 방지하는 효과가 있으며, 최소침습수술로봇의 문제점인 인체 내부에 위치한 암세포 등을 제거하기 위해 인체 외부에서 수술용 도구와 절개공을 통하여 도구를 움직여야 하는 어려움 등으로 인하여 수술용 도구의 자유도 제한문제, 내시경의 수동조작은 직관적이지 못하고 조작이 어려워 장기간의 수련을 통해서만 사용이 가능한 한계를 벗어나 인체 내부에서 암세포에 접근하여 보다 미세하고 정밀한 제어를 통한 치료가 가능한 효과가 있으며, 기존의 박테리아 기반의 마이크로로봇의 경우는 마이크로로봇의 크기제한과 기능제한으로 약물전달인 박테리아를 이용한 치료는 한계가 있고, 그 외의 캡슐형 마이크로로봇의 경우는 역시 크기와 기능제한으로 구체적인 치료 혹은 암세포 제거수단을 로봇에 갖추지 못한 실정이며, 혈관탐사용 마이크로로봇의 경우는 로봇의 몸체를 단순히 병변에 충돌시키는 방법으로 병변제거동작을 하여, 병변충돌에 대한 정밀한 동작제어에서 한계가 있고, 특히 암세포의 경우는 충돌방식은 적합하지 않으며, 보다 정밀하고 정확하고 미세한 제거동작이 필요한 점에서 제한이 있는 반면, 안출된 상기 암세포를 제거하기 위해 압전현상발생날개를 구비한 압전현상을 이용한 발열부를 갖춘 인체 내부를 이동하는 박테리아 기반의 마이크로로봇은 이와 달리 암세포 제거를 위해 마이크로로봇의 일측에 압전현상발생날개를 구비한 압전현상을 이용한 발열부를 갖추어 구체적인 암세포 제거수단을 로봇에 장착하여 암세포에 대한 단순충돌 이상의 정밀하고 미세한 암세포제거동작을 로봇이 수행가능하게 한 효과가 있는 점에서 장점이 있다. 또한 박테리아를 이용한 마이크로로봇은 박테리아와 결합된 마이크로로봇에 의해 병변을 인식하여 이동하는 점에서 박테리아의 이동성 및 인지성에 의해 구동기 및 센서를 동시에 구현할 수 있는 효과와 함께, 소형화가 가능한 장점이 있는데, 상기 압전현상발생날개를 구비한 압전현상을 이용한 발열부를 갖춘 인체 내부를 이동하는 박테리아 기반의 마이크로로봇은 이러한 박테리아를 이용한 마이크로로봇의 장점뿐만이 아니라 발열부를 구비하여 보다 정밀하고 정교한 암세포에 대한 표적제거 및 치료가 가능한 장점이 있다. 또한 상기 압전현상발생날개를 구비한 압전현상을 이용한 발열부를 갖춘 인체 내부를 이동하는 박테리아 기반의 마이크로로봇은 그 외부에 다수개의 압전현상발생날개를 방사형으로 배열하여 인체내부에서 다양한 방향에서 혈압이 작용하여도 에너지발생부에 위치한 압전소자에서는 인장력과 압축력이 지속적으로 발생가능하며, 매순간 압전현상이 발생하여 마이크로로봇에 대해 지속적으로 충분한 전력을 발생시키는 장점이 있다.

도 1은 압전소자(PZT)의 원자 배열을 나타낸 도면이다.
도 2는 압전소자(PZT)의 특성을 나타낸 도면이다.
도 3은 종래의 마이크로로봇을 나타낸 도면이다.
도 4는 종래의 병변 치료용 박테리아 기반의 마이크로로봇을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 암세포를 제거하기 위해 압전현상발생날개를 구비한 압전현상을 이용한 발열부를 갖춘 인체 내부를 이동하는 박테리아 기반의 마이크로로봇을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 암세포를 제거하기 위해 압전현상발생날개를 구비한 압전현상을 이용한 발열부를 갖춘 인체 내부를 이동하는 박테리아 기반의 마이크로로봇이 군집을 이루고, 다양하게 압전현상발생날개에 혈압이 작용하여, 암세포에 대해서 그 제거 및 치료장면을 나타낸 것이다.
도 7a는 본 발명에 따른 암세포를 제거하기 위해 압전현상발생날개를 구비한 압전현상을 이용한 발열부를 갖춘 인체 내부를 이동하는 박테리아 기반의 마이크로로봇에 있어, 마이크로로봇에 장착된 압전현상발생날개와 압전소자를 나타낸 것이다.
도 7b는 본 발명에 따른 암세포를 제거하기 위해 압전현상발생날개를 구비한 압전현상을 이용한 발열부를 갖춘 인체 내부를 이동하는 박테리아 기반의 마이크로로봇에 있어, 마이크로로봇 외부에 장착된 압전현상발생날개에 혈압이 작용하여, 마이크로 로봇 내부에 구비된 압전소자에서 압전현상이 발생하여 전력을 발생시키는 것을 나타낸 것이다.
도 8a는 본 발명에 따른 암세포를 제거하기 위해 압전현상발생날개를 구비한 압전현상을 이용한 발열부를 갖춘 인체 내부를 이동하는 박테리아 기반의 마이크로로봇에 있어, 마이크로로봇에 장착된 압전현상발생날개와 압전소자를 나타낸 것이다.
도 8b는 본 발명에 따른 암세포를 제거하기 위해 압전현상발생날개를 구비한 압전현상을 이용한 발열부를 갖춘 인체 내부를 이동하는 박테리아 기반의 마이크로로봇에 있어, 마이크로로봇 외부에 장착된 압전현상발생날개에 혈압이 작용하여, 마이크로 로봇 내부에 구비된 압전소자에서 압전현상이 발생하여 전력을 발생시키는 것을 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명에 따른 암세포를 제거하기 위해 압전현상발생날개를 구비한 압전현상을 이용한 발열부를 갖춘 인체 내부를 이동하는 박테리아 기반의 마이크로로봇의 정면도를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명에 따른 암세포를 제거하기 위해 압전현상발생날개를 구비한 압전현상을 이용한 발열부를 갖춘 인체 내부를 이동하는 박테리아 기반의 마이크로로봇을 이용한 치료방법을 나타낸 블록도이다.
도 11은 본 발명에 따른 암세포를 제거하기 위해 압전현상발생날개를 구비한 압전현상을 이용한 발열부를 갖춘 인체 내부를 이동하는 박테리아 기반의 마이크로로봇의 암세포에 대한 이동과 접촉 및 구동제어과정을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
도 12는 본 발명에 따른 암세포를 제거하기 위해 압전현상발생날개를 구비한 압전현상을 이용한 발열부를 갖춘 인체 내부를 이동하는 박테리아 기반의 마이크로로봇이 인체내부의 암세포에 접근한 뒤 군집을 이루고 항암치료를 하는 장면을 개략적으로 도시한 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 암세포를 제거하기 위해 압전현상발생날개를 구비한 압전현상을 이용한 발열부를 갖춘 인체 내부를 이동하는 박테리아 기반의 마이크로로봇으로, 마이크로 로봇 본체와, 상기 마이크로 로봇의 후면과 둘레에 부착되어 병변을 찾아가는 이동성과 인지성을 가진 박테리아와, 상기 마이크로 로봇의 외부에 장착되어 압전현상을 발생시켜 로봇의 전원이 되는 압전현상발생날개와, 상기 마이크로 로봇 외부에 장착된 압전현상발생날개에 작용하는 혈압을 통한 압전소자에 가해지는 충격을 통해 전기에너지를 발생시키는 에너지발생부와, 상기 마이크로로봇 외부 일측에서 상기 에너지발생부에서 직접 전력을 공급받아 열을 발생시키는 인체내부에서 보다 정밀하고 미세하게 암세포에 대해서 발열기능을 하는 발열부와, 로봇이 암세포에 접근한 뒤 로봇사용자에 의해 암세포제거를 위한 43.5도 와 같은 미리 설정된 온도가 상기 발열부에서 일정하게 유지되도록 하고, 이동성과 인지성을 가진 상기 박테리아에 의해 로봇이 암세포에 도착할 시 암세포에 대한 로봇의 접근을 감지하여, 상기 발열부의 발열되는 시작시간, 종료시간, 또는 지속시간이 미리 설정된 바와 같이, 조절되도록 하는 로봇제어부로 구성된 것을 특징으로 하는 마이크로로봇이다. 이러한 상기 박테리아는 스스로 움직이는 이동능력을 가진 편모를 구비하여 캡슐형태의 마이크로구조체 몸체둘레에 부착시켜 박테리아의 이동성과 인지성을 이용하여 암세포 추적에 의해 마이크로로봇이 암세포에 이동한다.

이러한 암세포를 제거하기 위해 압전현상발생날개를 구비한 압전현상을 이용한 발열부를 갖춘 인체 내부를 이동하는 박테리아 기반의 마이크로로봇은 일반적으로 암세포가 열에 약하여 43.5도 정도면 죽는 특성을 이용하여 인체 내부에서 암세포에 접근한 뒤 발열부에서 발열기능을 작동하여 암세포만을 정밀하고 미세하게 죽이거나 치료하며, 상기 발열부의 온도는 로봇제어부에 의해 조절되어 인체 내부 이동 중에는 발열하지 않도록 하여, 정상세포파괴를 최소로 하고, 암세포에 접근한 뒤 암세포를 죽이기 위해 발열기능을 작동할 시 미리 설정된 온도에 따라 작동하여 그 안전성을 최대로 고려한 것을 포함함을 특징으로 하는 암세포를 제거하기 위해 압전현상발생날개를 구비한 압전현상을 이용한 발열부를 갖춘 인체 내부를 이동하는 박테리아 기반의 마이크로로봇을 제공한다.

아울러, 압전현상을 이용한 발열부를 갖춘 인체 내부를 이동하는 박테리아 기반의 마이크로로봇을 이용한 치료방법으로, 이동성과 인지성을 가진 박테리아에 의해 마이크로로봇이 인체 내부의 암세포를 찾아 이동하는 이동단계와, 상기 이동성과 인지성을 가진 박테리아에 의해 마이크로로봇이 상기 암세포에 위치하는 접촉단계와, 상기 접촉단계에서 상기 마이크로로봇이 암세포에 대한 접촉을 인지하면, 상기 마이크로로봇에 장착된 압전현상발생날개에 의해 압전현상이 발생하여, 사용자에 의해 미리 설정된 바와 같이, 발열부의 발열온도를 유지하고, 상기 발열부에서 발열되는 시작시간, 종료시간 또는 지속시간을 설정된 바와 같이 유지하여 발열하는 발열단계와, 상기 발열단계에서 사용자에 의해 미리 설정된 바와 같이 발열이 시작되고, 사용자에 의해서 미리 설정된 바와 같이, 발열부 온도 및 시작시간, 종료시간 또는 지속시간의 발열시간이 미리 설정된 바와 같이, 발열하여 미리 설정된 시간이 달성되면, 로봇제어부가 이를 인식하여 에너지발생부에 전력을 단절하여 열 발생을 중단시키는 발열중단단계;로 구성된 마이크로로봇을 특징으로 하는 암세포를 제거하기 위해 압전현상발생날개를 구비한 압전현상을 이용한 발열부를 갖춘 인체 내부를 이동하는 박테리아 기반의 마이크로로봇을 제공함으로써 달성하였다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 구체적으로 설명한다.

도 1은 압전소자(PZT)의 원자 배열을 나타낸 도면이다.

도 2는 압전소자(PZT)의 특성을 나타낸 도면이다. 압전소자는 변형력이 가해지면 그 힘에 비례하는 전하가 생기고, 전기장 속에 두면 기계적인 변형이 생기는 현상을 이용한 소자이다. 즉, 압전소자는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 또는 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 소자이다. 도 2(a)에 도시된 바와 같이, 압전소자에 어떠한 외력(F)이 작용하지 않는 경우에는 전기에너지가 발생되지 않지만, 도 2(b) 또는 도 2(c)와 같이 압축력 또는 인장력이 가해지면 전하의 이동으로 전류가 발생되게 되고 전력이 발생된다.

도 3은 종래의 마이크로로봇을 나타낸 도면이다.

도 4는 종래의 병변 치료용 박테리아 기반의 마이크로로봇을 나타낸 도면이다.

도시된 바와 같이, 종래의 병변 치료용 박테리아 기반의 마이크로로봇은 박테리아(200)의 구동성, 인지성, 형광성, 치유성 등을 이용하여 구성되는 박테리아(200)에 의해 이동하는 마이크로로봇에 관한 것이다. 스스로 움직이는 이동능력을 가진 편모(202)를 구비한 박테리아(200)를 캡슐형태의 마이크로구조체(300)의 몸체둘레에 부착시켜 박테리아(200)의 이동성과 인지성을 이용하여 병변 추적에 의해 마이크로로봇(400)이 병변에 이동하고, 상기 마이크로로봇(400)에서 배출되는 약품전달과 박테리아(200)로 질병을 치료하는 것을 특징으로 한 것이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 암세포를 제거하기 위해 압전현상발생날개를 구비한 압전현상을 이용한 발열부를 갖춘 인체 내부를 이동하는 박테리아 기반의 마이크로로봇을 나타낸 도면이다.

도 5에 도시된 암세포를 제거하기 위해 압전현상발생날개를 구비한 압전현상을 이용한 발열부를 갖춘 박테리아 기반의 마이크로로봇(110)의 구성은 에너지발생부(10), 발열부(20), 압전현상발생날개(30), 로봇제어부(40)를 포함한다.

에너지발생부(10)는 상기 마이크로로봇(110)에 전원을 공급하는 것으로, 상기 마이크로로봇(110)의 외부에 장착된 압전현상발생날개(30)에 작용하는 혈압을 통한 압전소자(11)에 가해지는 충격을 통해 전기에너지를 발생시킨다. 한편 압전소자(11)는 상술한 바와 같이 압축력 또는 인장력을 발생시켜 에너지발생부(10)에서 전기에너지를 발생시킨다. 또한 압전소자(11)에서 발생되는 전기에너지를 충분히 확보하기 위해, 복수개의 압전소자를 적층하여 에너지발생부(10)가 구성될 수 있다. 한편 압전소자(11)에서 발생되는 전기에너지를 충분히 확보하기 위해 복수개의 압전현상발생날개(30)를 상기 마이크로로봇(110)의 외부에 다수로 배열하여 에너지발생부(10)의 전기에너지 발생량을 최대화할 수 있다. 이때 에너지발생부(10)에는 교류전압을 직류전압으로 바꾸기 위한 정류용다이오드를 구비할 수 있고, 출력된 직류전류를 평활하여 직류 발전전압을 확보하는 커패시터를 포함하여 구성될 수 있다.

발열부(20)는 상기 에너지발생부(10)를 통하여 공급되는 전원으로부터 직접 전류를 공급받아 열을 발생시키거나 상기 로봇제어부(40)를 경유하여 전류를 공급받을 수 있다.

이때, 상기 에너지발생부(10)와 발열부(20)의 사이에는 가변저항(미도시)을 구비하여 상기 발열부(20)에 발생하는 발열량을 미리 설정된 온도값으로 제어할 수 있다.

바람직하기로는, 상기 발열부(20)는 열선으로 이루어지고, 암세포를 치료하거나 죽이기 위한 미리 설정된 43.5도 이상의 온도를 유지하며, 상기 마이크로로봇(110)의 외부 일측면에 장착되어 암세포에 대한 열전달이 용이하게 이루어지게 한다.

압전현상발생날개(30)는 상기 마이크로로봇(110)의 외부에 장착되어 압전현상을 발생시켜 로봇의 전원이 되는 것으로, 상기 에너지발생부(10)의 압전소자(11)에서 발생되는 전기에너지를 충분히 확보하기 위해 상기 마이크로로봇(110)의 외부에 다수로 배열하여 에너지발생부(10)의 전기에너지 발생량을 최대화한다. 이때 압전현상발생날개(30)는 인체내부의 다양한 방향에서 혈압이 작용되어도 상기 에너지발생부(10)에 위치한 상기 압전소자(11)에서 인장력과 압축력이 지속 발생가능하도록 상기 마이크로로봇(110)의 외부에 방사형으로 배열하여 매순간 압전현상이 발생가능하도록 한다.

로봇제어부(40)는 미리 설정된 온도가 유지되도록 상기 에너지발생부(10)로부터 공급되는 전류량을 조절하거나 가변저항을 조절하므로써 상기 발열부(20)의 온도가 일정하게 유지 및 지속되도록 한다.

또한, 상기 로봇제어부(40)에서는 상기 발열부(20)가 발열되는 시작시간, 종료시간, 또는 지속시간이 마이크로로봇 사용자에 의해 미리 설정된 것과 같이, 제어되도록 한다.

도 6은 본 발명에 따른 암세포를 제거하기 위해 압전현상발생날개를 구비한 압전현상을 이용한 발열부(20)를 갖춘 인체 내부를 이동하는 박테리아 기반의 마이크로로봇(110)이 군집을 이루어 암세포에 대해서 그 제거 및 치료장면을 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이, 인체내부에서 다양한 방향에서 혈압이 작용하여도 상기 마이크로로봇(110)의 외부에 방사형으로 배열된 다수개의 상기 압전현상발생날개(30)로 인해 압전소자(11)에서 인장력과 압축력의 지속발생이 가능하다.

도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 압전현상발생날개를 구비한 압전현상을 이용한 발열부(20)가 장착된 박테리아 기반의 마이크로로봇(110)의 압전현상 발생을 설명하는데,

도 7a는 본 발명에 따른 암세포를 제거하기 위해 압전현상발생날개를 구비한 압전현상을 이용한 발열부(20)를 갖춘 인체 내부를 이동하는 박테리아 기반의 마이크로로봇(110)에 있어, 마이크로로봇(110)에 장착된 압전현상발생날개(30)와 압전소자(11)를 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이, 좌측의 위아래 압전소자(11)는 압축력을 발생시키기 위함이며, 우측의 위아래 압전소자(11)는 인장력을 발생시키기 위해 배열된 것이다.

도 7b는 본 발명에 따른 암세포를 제거하기 위해 압전현상발생날개를 구비한 압전현상을 이용한 발열부(20)를 갖춘 인체 내부를 이동하는 박테리아 기반의 마이크로로봇(110)에 있어, 마이크로로봇(110) 외부에 장착된 압전현상발생날개(30)에 혈압이 발생하여, 마이크로 로봇(110) 내부에 구비된 압전소자(11)에서 압전현상이 발생하여 전력을 발생시키는 것을 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이, 좌측에 위아래 배열된 압전소자(11)는 압축력을 발생시키며, 우측에 위아래 배열된 압전소자(11)는 인장력을 발생시킨다.

도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 압전현상발생날개를 구비한 압전현상을 이용한 발열부(20)가 장착된 박테리아 기반의 마이크로로봇(110)의 압전현상 발생을 설명하는데,

도 8a는 본 발명에 따른 암세포를 제거하기 위해 압전현상발생날개를 구비한 압전현상을 이용한 발열부(20)를 갖춘 인체 내부를 이동하는 박테리아 기반의 마이크로로봇(110)에 있어, 마이크로로봇(110)에 장착된 압전현상발생날개(30)와 압전소자(11)를 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이, 좌측의 위아래 압전소자(11)는 인장력을 발생시키기 위함이며, 우측의 위아래 압전소자(11)는 압축력을 발생시키기 위해 배열된 것이다.

도 8b는 본 발명에 따른 암세포를 제거하기 위해 압전현상발생날개를 구비한 압전현상을 이용한 발열부(20)를 갖춘 인체 내부를 이동하는 박테리아 기반의 마이크로로봇(110)에 있어, 마이크로로봇(110) 외부에 장착된 압전현상발생날개(30)에 혈압이 작용하여, 마이크로로봇(110) 내부에 구비된 압전소자(11)에서 압전현상이 발생하여 전력을 발생시키는 것을 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이, 좌측에 위아래 배열된 압전소자(11)는 인장력을 발생시키며, 우측에 위아래 배열된 압전소자(11)는 압축력을 발생시킨다.

도 9는 본 발명에 따른 암세포를 제거하기 위해 압전현상발생날개를 구비한 압전현상을 이용한 발열부(20)를 갖춘 인체 내부를 이동하는 박테리아 기반의 마이크로로봇(110)의 정면도를 나타낸 것이다. 도시한 바와 같이, 압전현상발생날개(30)는 상기 마이크로로봇(110)의 외부에 장착되어 상기 에너지발생부(10)의 압전소자(11)에서 발생되는 전기에너지를 충분히 확보하기 위해 상기 마이크로로봇(110)의 외부에 다수 개로 방사형으로 배열된다. 이때 압전현상발생날개(30)는 인체 내부의 다양한 방향에서 혈압이 제공되어도 상기 에너지발생부(10)에 위치한 상기 압전소자(11)에서 인장력과 압축력이 지속적으로 발생가능하도록 상기 마이크로로봇(110)의 외부에 방사형으로 a와 b방식으로 배열하여 매순간 압전현상이 발생가능하도록 한다. 한 예로, 압전현상발생날개(30)의 a방식은 도 7b와 같이, 좌측의 위아래 압전소자(11)는 압축력을 발생시키고, 우측의 위아래 압전소자(11)는 인장력을 발생시키기 위해 배열될 때, b방식은 도 8b와 같이, 좌측의 위아래 압전소자(11)는 인장력을 발생시키고, 우측의 위아래 압전소자(11)는 압축력을 발생시키기 위해 배열된다. 이때의 경우는 상기 마이크로로봇(110)에 있어, 다양한 방향에서 혈압이 작용하여도 a방식과 b방식이 교대로 적용되어 압전현상발생날개(30)는 매순간 압전현상을 발생시킬 수 있게 되어 전력을 발생시킬 수 있다.

이하, 도 5, 도 6, 도 7, 도 8, 도 9를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 압전현상발생날개를 구비한 압전현상을 이용한 발열부가 구비된 박테리아 기반의 마이크로로봇을 이용한 암세포 치료 및 제거방법을 설명하는데, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 암세포를 제거하기 위해 압전현상발생날개를 구비한 압전현상을 이용한 발열부를 갖춘 인체 내부를 이동하는 마이크로로봇을 이용한 치료 및 제거방법을 나타낸 블록도이다.

도 10에 도시된 압전현상발생날개를 구비한 압전현상을 이용한 발열부가 장착된 박테리아 기반의 마이크로로봇(110)을 이용한 발열방법은 이동단계(S10), 접촉단계(S20), 발열단계(S30), 발열중단단계(S40)를 포함한다.

이동단계(S10)에서는 마이크로로봇(110)은 이동성과 인지성을 가진 박테리아에 의해 인체 내부의 암세포를 찾아 이동하여 위치한다.

접촉단계(S20)에서는 마이크로로봇(110)은 이동성과 인지성을 가진 박테리아에 의해 상기 이동단계(S10)을 통해 암세포에 접촉하여 암세포를 인지한다.

발열단계(S30)에서는 마이크로로봇(110)은 상기 접촉단계(S20)에서 암세포에 대한 접촉을 인지하면, 상기 마이크로로봇(110)에 장착된 압전현상발생날개(30)에 의해 압전현상이 발생하여, 사용자에 의해 미리 설정된 바와 같이, 발열부(20)의 발열온도를 유지하고, 상기 발열부(20)에서 발열되는 시작시간, 종료시간 또는 지속시간을 설정된 바와 같이 유지하여 발열하여 암세포에 대한 제거 및 치료를 실시한다.

발열중단단계(S40)에서는 마이크로로봇(110)은 상기 발열단계(S30)에서 사용자에 의해 미리 설정된 바와 같이 발열이 시작되고, 사용자에 의해서 미리 설정된 바와 같이, 발열부(20)의 온도 및 시작시간, 종료시간 또는 지속시간과 같이, 발열하여 미리 설정된 시간이 달성되면, 로봇제어부(40)가 이를 인식하여 에너지발생부(10)에 전력을 단절하여 열 발생을 중단시키고 암세포에 대한 제거 및 치료를 중단한다.

도 11은 본 발명에 따른 암세포를 제거하기 위해 압전현상발생날개를 구비한 압전현상을 이용한 발열부를 갖춘 인체 내부를 이동하는 박테리아 기반의 마이크로로봇의 암세포에 대한 이동과 접촉 및 구동제어과정을 개략적으로 도시한 흐름도이다.

도시된 바와 같이, 암세포를 제거하기 위해 압전현상발생날개를 구비한 압전현상을 이용한 발열부(20)를 갖춘 인체 내부를 이동하는 박테리아 기반의 마이크로로봇(110)이 이동성과 인지성을 가진 박테리아에 의해 인체 내부의 암세포를 찾아 이동하여(S10), 암세포에 접촉하여 암세포를 인지하면(S20), 사용자에 의해 로봇제어부(40)에 미리 설정된 바와 같이, 마이크로로봇(110)에 장착된 압전현상발생날개(30)에 의해 압전현상이 발생하여 전력이 발생한다(S101). 전력이 발생하면 사용자에 의해 로봇제어부(40)에 미리 설정된 온도와 시간과 같이, 마이크로로봇(110)의 발열부(20)가 접촉한 암세포에 대해 발열을 시작한다(S102). 발열이 시작되면 사용자에 의해 로봇제어부(40)에 미리 설정된 온도와의 일치여부를 확인하고(S103), 일치할 경우에만 발열을 지속한다(S104). 사용자에 의해 미리 설정된 온도에 맞춰 발열을 지속하여(S104) 미리 설정된 시간이 종료되면 발열을 중단한다(S105).

이때 미리 설정된 온도는 암세포가 일반적으로 43.5도 이상이면 죽는 특성을 이용하여, 43.5도 이상일 수 있다.

도 12는 본 발명에 따른 암세포를 제거하기 위해 압전현상발생날개를 구비한 압전현상을 이용한 발열부를 갖춘 인체 내부를 이동하는 박테리아 기반의 마이크로로봇이 인체 내부의 암세포에 접근한 뒤 군집을 이루고 항암치료를 하는 장면을 개략적으로 도시한 것이다. 도시한 바와 같이 마이크로로봇(110)은 다수의 군집으로 구성되어 동시다발적으로 암세포를 제거하고 치료할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

110: 압전현상을 이용한 발열부를 갖춘 박테리아 기반의 마이크로로봇
40: 로봇제어부
30: 압전현상발생날개
20: 발열부
10: 에너지발생부
11: 압전소자
200: 박테리아
202: 편모
300: 캡슐형태의 마이크로구조체
400: 종래의 박테리아 기반의 마이크로 로봇

Claims (2)

1. 검사 및 치료를 위한 의료용 마이크로로봇에 있어서, 인체 내부의 암세포를 치료하고 제거하기 위한 압전현상발생날개(30)를 구비한 압전현상을 이용한 발열부(20)를 갖춘 박테리아 기반의 마이크로로봇(110)
   
2. 검사 및 치료를 위한 의료용 마이크로로봇에 있어서, 인체내부의 암세포를 치료하고 제거하기 위한 압전현상발생날개(30)를 구비한 압전현상을 이용한 발열부(20)를 갖춘 박테리아 기반의 마이크로로봇(110)이 암세포로 이동하여, 상기 마이크로로봇(110)의 상기 발열부(20)의 온도가 미리 설정된 바와 같이 일정하게 유지 및 사용자에 의해 미리 설정된 것과 같이 시간이 제어되도록 하는 로봇제어부(40), 압전현상이 발생되도록 상기 마이크로로봇(110)의 외부에 방사형으로 다수개로 배열된 압전현상발생날개(30), 상기 마이크로로봇(110) 사용자에 의해서 미리 설정된 온도를 유지하고 미리 설정된 시간을 준수하여, 암세포를 제거하고 치료하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 암세포를 치료하고 제거하기 위한 압전현상발생날개(30)를 구비한 압전현상을 이용한 발열부(20)를 갖춘 박테리아 기반의 마이크로로봇
   

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