박테리아 크기만한 의료용 로봇 만들기 | 브래들리 넬슨 (Bradley Nelson) | TEDxZurich

우리는 300년 전부터 박테리아의 존재를 알았고, 신체에는 인간 세포보다 훨씬 더 많은 박테리아가 있습니다. 하지만 박테리아가 어떻게 움직이는지에 대해서 알게 된 지는 채 40년이 안 됩니다. 1973년에 지름이 불과 45 나노미터인, 대장균의 회전형 모터를 발견하면서 어떤 사람들은 이 놀라운 작동 구조는 신의 존재를 증명한다고 주장하기도 했습니다. 물론 이것은 진화의 한 단계에 불과했지만요. 이제 우리는 대장균 같은 박테리아와 유사하게 움직이는 나노로봇을 실제로 만들 수 있습니다. 이것을 이용해 몸 속 특정한 곳에 약물을 전달하는 연구를 진행하고 있습니다. 대장균은 일종의 로봇입니다. 센서(화학수용체)도 있고, 모터, 단백질 유도를 통한 명령전달, 소프트웨어(DNA)도 있습니다. 이런 관점으로 보면 박테리아는 마치 기계 같습니다. 우리가 언젠가 복제할 수 있기를 바라는 기계죠. 박테리아를 정말 기계라고 한다면 우리 인간은 무엇일까요?

브래드 넬슨은 취리히 연방 공과대학(ETH)의 로봇공학과 지적 시스템을 담당하는 교수입니다. 생물학과 의학을 응용해 마이크로 로봇과 나노 로봇 공학을 주로 연구합니다. 그는 어배너(Urbana)에 있는 일리노이 주립대학에서 기계공학을, 카네기 멜론 대학에서 로봇공학을 전공했습니다. 그는 허니웰(Honeywell)과 모토롤라(Motorola)에서 근무했고, 아프리카 보츠와나에서 미국 평화 봉사단으로 활동했습니다. 2002년에 취리히 연방 공과대학에 오기 전에는 시카고에 있는 일리노이 주립대학과 미네소타 주립대학에서 교수로 재직했습니다.

넬슨 교수는 2005년에 '미국의 과학자 50명' 명단에 이름을 올렸습니다. 사이언티픽 아메리칸지는 매년 그 전해에 과학 기술 분야에서 뛰어난 리더쉽을 보인 50명을 선정합니다. 그는 나노튜브 제조에 대한 기여로 이름을 올렸죠. 그의 연구실은 2007년과 2009년에 로보컵 나노그램 대회(RoboCup Nanogram Competition)에서 수상했습니다. 두 해에 대회가 열렸는데 마이크로 미터 크기의 로봇으로 축구경기를 했습니다. 그의 연구실은 2012년에, '최고의 의료용 로봇'으로 기네스 세계 기록을 세웠습니다. 그는 여러 저널에 편집진으로 활동하고 있으며 여러 국제 워크숍과 회의를 주관했고, 취리히 연방 공과대학의 기계공학, 공정공학부 학장, 전자 현미경 센터(EMEZ)의 수장으로 있으며, 스위스 국립 과학 재단(the Research Council of the Swiss National Science Foundation)의 연구 위원회 위원입니다.

이 강연은 TED의 형식에 맞춰 별도로 개최된 지역 TEDx 행사에서 발표되었습니다. 더 자세한 내용을 알고 싶으시면 https://www.ted.com/tedx를 방문해 주세요.

(박수)

저는 오늘 여러분에게 과학과 공학의
세 분야에 대해 말씀드리고 싶습니다.

매우 흥미로운 방식으로 세 분야가
융합되고 있거든요.

저는 기계 공학자입니다.

로봇 공학에서 25년 이상,

마이크로/나노 기술 분야에서
15년 이상 활동하고 있습니다.

제가 취리히에 있는 지난 10년 동안

생물학자들, 의학 박사들과
좀 더 밀접하게 일하고 있습니다.

저희가 연구하고 있는 공학기술과
저희의 미래에 대한 비전에는

매우 흥미로운 의미가
함축되어 있다고 생각합니다.

그 말씀을 드리기 전에

할리우드 영화의 한 장면을 보시죠.

거의 제 나이만큼 된 영화인데요.

(영상) 모든 대원들은 대기하라.

(웃음)

(영상) 이제 주입하라.

"마이크로 결사대"라는 고전영화로
저는 이 영화를 매우 좋아합니다.

할리우드가 영화를 만들 때
공학자보다 유리한 점이 두 가지 있죠.

물리학에 대해 신경 쓸 필요가 없고요.

실제 제품을 만들지 않아도 됩니다.

다음으로 보여드릴 영상은

디스커버리 채널에서 만든
애니메이션입니다.

약 1년 반쯤 전, 이들이
저희 실험실에 찾아왔습니다.

이 프로그램에 저희도 등장하죠.

저희가 하고 있던 연구의 개념을
프로그램에 넣었어요.

수년 간 저희가 연구하는 주제인데요.

아주 작은, 즉 마이크로 로봇을
눈에 넣는 거죠.

아직 인간에게 실험해 보진 않았습니다.

눈에 넣은 다음

자기장을 이용해 이 장치가
망막으로 들어가도록 유도해서

예를 들면 약을 전달한다든지 하는
특정한 치료를 수행하죠.

환자 너머 저기 보이는

전자기성 코일 뭉치를 사용합니다.

지금 보고 계신 것은
진짜 돼지의 눈 속입니다.

이 돼지 눈은 그날 새벽에
정육점에서 얻은 겁니다.

그러니 동물을 해친 것은 아닙니다.

(웃음)

이 장치를 매우 정교하게
통제할 수 있다는 걸 아시겠죠.

이 장치는 폭이 0.5mm,

길이는 약 1mm입니다.

다음 슬라이드를 보면

왼쪽에 저희가 사용하는
전자기 코일 시스템이 있습니다.

이 장치를 동물 체내에서
사용해 보고 있는데요.

이런 코일이 8개가 있어서
옥토매그라고 부릅니다.

각 코일의 전류를
매우 정교하게 통제해서

이 장치가 안구를 통과해
뒤쪽에 있는 망막으로 가도록 유도하죠.

이제 보실 것은 가장 최신 장치로서
저기 손가락 끝에 있습니다.

마이크로 로봇이라고 부르는데요.

지름이 약 1/3mm,
즉 330미크론이죠.

저희의 디자인 사양인데요.

아주 가늘게 만들고 싶은 이유는

길이가 약 1.8mm인데요.

23게이지의 바늘 속에
들어가야 하기 때문이죠.

23게이지의 바늘에 들어가면
우리 눈에도 넣을 수 있고

주사 바늘 구멍을
봉합할 필요도 없습니다.

비침습성인 셈이죠.

국부 마취제를 약간 넣으면
그걸로 충분합니다.

약물을 주입해 노화로 인한
시력감퇴를 치료할 때

마이크로 로봇을 쓰지 않고
바늘을 썼는데, 정말 싫죠.

방금 전 보여드린
손가락 끝에 있던 그 로봇은

저희가 만든 로봇 중에서
가장 큰 것입니다.

저것보다 약 천분의 일 크기 로봇을
만드는 게 우리 목표입니다.

예를 들면 대장균 정도의 크기죠.

이 작은 막대 모양 박테리아가
약 1-2미크론입니다.

머리카락 한 올의 백분의 일 정도죠.

저 박테리아에서 작은 꼬리가
나오는 거 보이시죠?

조금 후에 볼 겁니다.

박테리아 얘기를 시작하기 전에

먼저 물리학과 관련한 어려움에 대해
조금 말씀드리겠습니다.

여기서 단순한 사고실험을 해 보죠.

정육면체입니다.

각 변은 약 1m입니다.

계산기는 없어도 됩니다.

1m x 1m x 1m는 1세제곱미터죠.

그런데 이것을 10cm로 줄인다면

즉 십분의 일로 줄이면

이제 계산이 바뀝니다.

0.1 m x 0.1 m x 0.1 m니까

갑자기 원래의 천분의 일이 됩니다.

부피에 연관된 속성들은

예를 들면 질량 같은 경우
천분의 일로 줄어듭니다.

백분의 일, 즉 1 cm로 줄이면

백만분의 일로 줄어들죠.

부피처럼

앞서 말한 것처럼 무게도
백만분의 일로 줄어드니까

발생하는 자기력도 그만큼 줄어들죠.

자기력은 물체의 질량에 비례하거든요.

"무게가 줄면 왜 문제가 되지?"라고
말하시겠죠.

이제 저 정육면체의
표면을 생각해 보세요.

면이 6개고 각 면은 1제곱미터입니다.

그러니까 6제곱미터가 되죠.

표면적 대 부피의 비율이 6:1입니다.

그런데 표면적은 가로 x 세로니까

길이를 십분의 일로 줄이면

표면적은 열 배씩 커집니다.

이렇게 되면 문제가 생깁니다.

이런 로봇은 만들 수 없고

좀 전에 본 눈에 넣는 로봇처럼
자기장으로 조종할 수 없습니다.

지금보다 더 작게는 못 만듭니다.

그렇다면 이것의 의미는 무엇일까요?

물고기가 수영하는 방법을 생각해 보죠.

물고기는 꼬리를 앞뒤로
대칭적으로 움직입니다.

물고기는 유체를 뒤로 밀어내면서
몸을 앞으로 이동시킵니다.

물고기가 뉴턴의 제1법칙을 아는 거죠.

캠브리지 대학의 제프리 테일러 교수가

이걸 바탕으로 1950년대에
매우 중요한 논문들을 발표했습니다.

그는 작은 로봇 물고기를 만들어서
물 속에서 어떻게 움직일지 보여주었죠.

여러분이 예상하시는 것처럼 움직입니다.

그러나 제가 이 로봇 물고기를

아니면 여러분을 천분의 일 또는
만분의 일로 더 작게 만들어

물 속에 넣으면 갑자기 물은

점도는 변하지 않았는데도 불구하고요

표면 효과 즉, 물의 표면장력을

훨씬 더 강하게 느끼게 될 것입니다.

테일러 교수는

1960년대에 제작한 이 영상을 보시면

통에 매우 끈적한 걸 넣었죠.

영국 출신인 분은 아마
라일의 골든 시럽을 아실 겁니다.

이 분이 통 안에 정말
시럽을 부어넣은 것 같아요.

그는 물고기 로봇을,

이 작은 기계 물고기 로봇을

통에 넣었는데 전혀 움직이지 못하죠.

유체 점성의 강도에 비해

밀어내는 양이 훨씬 적기 때문에
움직이지 않는 겁니다.

크기를 작게 만들면 생기는 문제입니다.

우리는 물체가 수영하는 방식과

움직이는 방식을 다시 생각해야 했죠.

여러분이 만약 공학자이고
해결 방법을 모른다면

어떻게 하시겠어요?

자연을 돌아보며 이렇게 묻겠죠,
"자연은 이 문제를 어떻게 풀었지?"

자연은 이 문제를
수백만, 수십억 년 전에 풀었습니다.

짚신벌레입니다.

오른쪽에 정자가 보이죠?

정자에는 섬모라고 하는
특별한 작은 꼬리가 달려 있어요.

정자의 섬모는 편모라고 부르는데요.

움직이는 방식이 매우 흥미롭습니다.

1675년 이전에는
이것이 존재하는지조차 몰랐죠.

네덜란드 과학자인 안톤 레이우엔훅이
현미경을 들여다보다가 깜짝 놀랍니다.

작은 미생물 수만 개가
움직이고 있는 것을 발견했거든요.

그는 이듬해,
영국 왕립 학회에 편지를 보냅니다.

학회는 그의 발견을 인정해주었죠.

그게 대체 무언지 사람들은 놀랐습니다.

그가 현미경으로 발견한 것은

바로 이전에는 누구도 몰랐던 것,
박테리아였습니다.

보시는 것은 막대 모양 박테리아입니다.

길이가 약 1-2미크론입니다.

이걸 현미경으로 보면

좀 전에 대장균을 관찰했던
현미경 보셨죠.

이걸로 보면 편모가 있습니다.

편모를 현미경으로 자세히 보면

앞뒤로 실룩실룩 움직이죠.

그런데 다른 방향에서 보면

실제로는 앞뒤로 움직이는 것이 아니라
회전하고 있다는 걸 알게 됩니다.

하워드 버그 박사가

콜로라도 주립대학에 있을 때인
1970년대 초반에 발견한 건데요.

놀라운 발견이었죠.

자연은 회전 모터를 발명한 거예요.

생각해 보세요.

자연의 다른 어느 곳에
회전 모터가 있죠?

하워드는 저희 연구소로 와서
몇 가지 조언을 해 주었습니다.

그는 이것을 자연의
마이크로 로봇이라고 부릅니다.

이 박테리아의 몸체에는
화학수용체라고 하는 센서가 있는데요.

이 센서가 뒤쪽에 있는
모터에 명령을 전달해서

움직이게 합니다.

박테리아에는 소프트웨어도 있는데,

바로 떠다니는 DNA 덩어리입니다.

이것이 필요한 센서와 모터를
계속해서 만들기 위해

이런 저런 것들을 만들라고 명령합니다.

모터는 매력적인 구조를 가지고 있어요.

1973년에 하워드가
박테리아의 모터를 발견한 후

어떤 사람들은 이 발견을 두고
지적 설계자의 증거라고 믿기도 하지만

대부분의 생물학자는 안 믿는 것 같아요.

(웃음)

이 모터는 30-40개의
단백질로 이루어져 있어요.

이 단백질들이 결합하여

초당 최대 160회를 회전하는
이런 구조를 만듭니다.

오른쪽에 보이는 것은
하워드의 연구실 영상인데요.

형광 박테리아가
이런 식으로 움직이고 있죠.

크기가 1-2미크론인 걸 유념하세요.

이걸 보고 있다가
이런 생각을 하게 됩니다.

"이거로부터 무엇을 배울 수 있을까?"

"이것을 어떻게 활용하지?"

저희는 나노기술 경험을 지렛대로 삼아

인공 박테리아 편모를 만들어 봤습니다.

아직 모터를 만들지는 못 했습니다.

저 모터 지름은 약 45나노미터입니다.

하지만 박테리아에게 있는 것과

비슷한 크기와 모양의
편모는 만들 수 있죠.

화면 왼쪽에 머리 같이
생긴 것이 보이시죠.

이것은 실제로 작은 자석인데요.

이 자석으로 저는

자기장을 형성해 회전력을 만들어냅니다.

자기장을 회전시키면

이것은 매우 약한 자기장으로

MRI 자기장의 천분의 일 정도입니다.

이것이 휘기 시작하고

그러면 앞으로 추진력이 생깁니다.

대장균이 움직이는 것처럼요.

규모를 짐작하실 수 있도록

우리 머리카락을 전자현미경으로
스캔한 것을 보여드릴게요.

머리카락 지름은
약 100미크론 정도입니다.

저희가 만든 것 중 제일 작은 걸
옆에 붙여 볼게요.

이것은 약 10미크론 정도이고요.

지금 보시는 건 적혈구입니다.

편모의 두 배 정도죠.

저희가 만든 가장 작은 것이
적혈구의 두 배 크기입니다.

보시면 세 마리가 무리 행동을 하듯
함께 움직이고 있죠.

저한테는 이것들이 살아있는 것 같아요.

제가 얼마나 흥분되겠어요?

(웃음)

그래서 제가 로봇공학을 합니다.

이런 기계를 만들어서 움직이는 것을
보는 것만큼 재밌는 일이 어딨겠어요.

(웃음)

얘들이 이제 뒤로 가는 게 보이시죠.

영상을 거꾸로 돌린 것이 아니라,
자기장을 반대로 했을 뿐입니다.

여기에는 매우 흥미로운
유체 역학이 작용합니다.

정말 흥미롭습니다.

올해 저희에게 흥미로웠던 일 중
하나는 서점에 갔을 때인데요.

2012년 기네스 신기록 책을 집었는데

거기에 저희가 나온 거예요.

세계에서 가장 작은
의료용 로봇이라고요.

(환호)

기네스 세계 기록이라니, 대단하죠.

하지만 제가 정말로 받고 싶은 것은

올림픽 메달입니다.

그래서 수중 발레 선수를 만들고 있죠.

(웃음)

흥미롭죠.

특히 흥미로운 것은

이것이 고분자로 만들어졌다는 건데요.

비세포독성이라서
세포에 해를 입히지 않죠.

사실 세포는 고분자를 좋아합니다.

그리고 새로운 기술을 개발해서

아주 유연한 모형을 만들었죠.

다음 영상을 보시면

이것이 저희가 만든 장치입니다.

집게발 같은 것이 달려 있죠.

이건 여기저기 돌아다니면서

지름이 6미크론인 구슬을 집어요.

아까 보신 적혈구 크기입니다.

구슬을 집어서 3차원으로,
즉 위아래로 움직입니다.

그리고는 유체의 힘을 이용해
다시 풀어줍니다.

이것 외에 좀 더 유용한
응용 로봇도 생각해 봤는데요.

여기 보이시죠.

칼세인이라는 형광성 분자를 입혔습니다.

형광 현미경으로 보면 이렇습니다.

이 분자는 실제로

많은 화학 요법 약물과
무게가 같습니다.

왼쪽에 보시면
빨갛게 칠해진 세포가 있죠.

이 세포들 주변으로 박테리아를
움직이면서 건드리다가 발견했어요.

세포가 칼세인을 끌어 가더라고요.

아마 이 기술로

개별 세포에 약물을 전달하거나

개별 세포를 선택하는 것이
가능할 것으로 보입니다.

다른 멋진 것도 있어요.

여러분께 몇 개만 보여드렸는데,
이걸 엄청나게 많이 만드는 거죠.

수천 개의 무리를 만드는 겁니다.

1초에 하나씩 만들 수 있죠.

수만 개를 만들어서 넣는 거죠.

그러면 흥미로운 가능성들이 생겨요.

앞으로 어떻게 전개될지 말이죠.

다시 박테리아 모터로 돌아가 보죠.

이 영상은 오사카 대학의
난바 케이이치 연구실에서 얻었는데요.

수년 동안 이들은

단백질의 정확한 서열과
이들이 어떻게 회전 모터가 되는지

이해하기 위해 연구하고 있죠.

현재 저는 모터를 만들지는 못하고

모터의 일부 구성 장치를
만드는 단계에 있습니다.

앞으로 계속 이 분야 연구를 진행하면서

이 분자 규모의 자연에 대해
더 많이 알게 될 것이고

그러면 비슷한 방식과
비슷한 원리로 작동하는

기계를 만들 수 있을 것입니다.

천재적인 과학자들,
의사들과 함께 일할 수 있어서

저는 무척 운이 좋았죠.

취리히 연방 공과대학에는

스위스 연방 과학기술연구소가 있는데요.

제가 여기에 공학자로 있습니다.

엑스레이를 발명한 콘라드 뢴트겐,
볼프강 파울리,

알버트 아인슈타인이 걷던
그 복도를 걷습니다.

영광스러운 경험이죠.

그런 의미에서 편한 마음으로
인용을 하나 하겠습니다.

칼텍 출신 유명한 항공 공학자인

테오도어 폰 카르만이

했던 말입니다.

"과학자는 있는 현상을 설명하지만,
공학자는 없던 것을 만든다."

(웃음)

이제 마지막으로

여러분에게 한 가지만 말씀드릴게요.

칼텍의 유명한 물리학자인
리차드 파인만이 그랬죠.

"만들 수 없다면
이해하지 못한 것이다."

(웃음)

여기까지 하겠습니다.
감사합니다.

(박수)