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2017/07/03 한양뉴스 > 학술 > 이달의연구자 중요기사

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[이달의 연구자] 장건희 교수(기계공학부)

전자기 구동 시스템을 이용한 마그네틱 로봇의 활용

오상훈

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http://www.hanyang.ac.kr/surl/bNRM

내용
현대인의 서구화된 식습관, 운동 부족, 흡연 및 음주 등에 의한 혈관계 질환의 심각성이 대두되고 있다. 이러한 혈관계 질환은 주로 심혈관계, 뇌혈관계, 말초혈관계 등에서 경화증이나 협심증, 폐쇄증 형태로 발병한다. 기존에는 혈관 문제를 치료하기 위해 ‘카테터’라는 긴 호스를 혈관에 삽입하는 혈관 중재 시술이 주로 사용돼 왔다. 하지만 이런 시술은 과정 자체가 복잡하고 긴 시간이 걸리며, 성공 여부가 시술자의 경험과 감각에 의존한다는 등의 문제가 있었다. 이에 따라, 장건희 교수(기계공학부)는 자기장으로 구동 가능한 마그네틱 로봇(Magnetic robot)을 통해 좀 더 정확하고 정밀한 치료 시스템을 고안해 냈다.
 


외부자기장을 통해 움직이는 마그네틱 로봇

기존의 ‘카테터’를 이용한 혈관 중재 시술은 카테터의 위치를 확인하기 위해 매 순간마다 X-ray를 찍어야 했다. 이 과정에서 의사들은 X-ray에 지속적으로 노출되어 방사선에 피폭되고 이로 인해 각종 질병 발병률이 증가했다. 환자들 역시 긴 시술 시간으로 많은 회복 시간을 필요로 했고, 시술 중 외부 감염에 의한 부작용 위험이 존재했다. 이러한 문제들을 해결하기 위해 개발된 것이 외부자기장으로 구동되는 마그네틱 로봇(Magnetic robot)이다.

마그네틱 로봇은 내부에 위치한 자성체를 이용하기 때문에 외부자기장으로 무선 구동이 가능하며, 외부자기장에 의해서 밀고 당겨지는 자기력과 같은 방향으로 정렬하려는 ‘자기토크’를 통해 다양한 운동을 생성한다. 이 때 외부자기장을 생성하는 것이 전류가 흐르는 전선으로 이루어진 전자기 구동 시스템(Magnetic Navigation System)이다. 이 장치는 장 교수가 자체 개발한 장치로 세계적으로 가장 출력이 높고, 기존의 장치들이 구현할 수 없는 회전자기장을 고속으로 발생시킬 수 있다.

그렇다면 전자기 구동 시스템은 어떻게 회전자기장을 고속으로 발생시킬 수 있을까? 먼저 기존에는 전기 시스템의 자속 변화를 방해하는 인덕턴스(Inductance) 효과 때문에 회전자기장을 제대로 만들기가 어려웠다. 하지만 장 교수는 이번 논문에서 공진 주파수(Resonant frequency)를 이용해, 주파수가 변하더라도 자동적으로 저항의 세기가 최소가 되고 자기장의 세기가 최대로 유지될 수 있는 이론과 시스템을 개발했다. “자기장을 마음대로 컨트롤 할 수 있다면, 마그네틱 로봇 역시 원하는 대로 움직일 수 있습니다.”
▲  이번 연구에 참여한 이원서(융합기계공학과 박사과정, 왼쪽부터) 씨와 장건희 교수(기계공학부) 그리고 남재광(융합기계공학과 박사과정) 씨가 직접 개발한 전자기 구동 시스템 앞에서 포즈를 취했다. 
▲ 마그네틱 로봇(Magnetic robot)은 내부에 위치한 자성체를 이용하기 때문에 외부자기장으로 무선 구동이 가능하다. (출처: 장건희 교수)

추후 인체 적용 가능성을 엿보다

이러한 마그네틱 로봇(Magnetic robot)의 구동 체계에는 여러 종류가 있는데, 그 중 자주 쓰이며 유명한 것으론 헬리컬 로봇(Helical robot, 나선형태의 구동체계)과 크롤링 로봇(Crawling robot, 무한궤도 형태의 구동체계)이다. 그리고 현재 장 교수는 헬리컬 로봇 보다는 크롤링 로봇에 좀 더 집중하고 있다. “사람의 혈관엔 피가 흐르기 때문에, 원하는 위치에 정지하기 위해선 나선형 로봇보다는 기어가는 로봇이 인체에 더 적합하죠.”

이처럼 전자기 구동 시스템과 자성체가 탑재된 마그네틱 로봇을 이용하면, 마그네틱 로봇을 원하는 방향으로 이동시켜 막힌 혈관을 드릴과 같이 뚫어내고 뚫어낸 부분을 유지할 수 있는 장치인 스텐트를 무선으로 전달할 수 있다. 그리고 현재는 약물을 뿌리는 마그네틱 로봇까지 연구가 진행됐다. 즉, 이처럼 전자기 구동 시스템은 마그네틱 로봇을 복잡한 경로의 말초 혈관까지 단시간에 정밀하게 진입 가능하도록 해 시술 과정을 간소화하고 시간을 감소시키며 외부에서 조작하기 때문에 방사선으로부터 시술자를 보호할 수 있다.

하지만 이러한 마그네틱 로봇이 실용화 되기 위해서는 빠르면 6~7년, 늦으면 10년은 걸릴 것이라는 게 장 교수의 생각이다. “의료 분야는 실용화 되기까지 시간이 꽤 걸리는 편입니다. 현재는 유리관을 통해서만 확인을 했기 때문에, 올해 하반기부터 심장내과 교수들과 함께 동물 실험을 진행할 계획입니다.” 또한 추후 연구가 더 잘 진행되기 위해서는 의사들과의 협업 관계 역시 중요하다. “사람의 생명과 관련된 일이기 때문에 아무래도 신뢰성과 안정성을 확보하는 것도 중요하다고 봅니다.”
▲ 장건희 교수는 10여 년 전 어머니의 심장 혈관 수술을 계기로 그 후 이번 연구에 관심을 갖게 됐다고 말했다. 

차세대 공학도들에게 고함

마지막으로 장 교수는 공학을 전공하는 학생들에게 당부의 말도 잊지 않았다. “공학은 뛰어난 머리보다 끈질긴 노력을 필요로 합니다. 뛰어난 머리를 가지면 좋겠지만, 그것이 아니더라도 결국 노력하는 사람이 성취하는 법이죠.” 또 장 교수는 우리 대학 학생으로서 자부심을 가지고 열심히 연구에 임할 것을 부탁했다. “’우리가 못하면 아무도 못한다’는 마음가짐이라면, 무엇이든 할 수 있다고 생각합니다.”


글/오상훈 기자        ilgok3@hanyang.ac.kr
사진/ 김윤수 기자      rladbstn625@hanyang.ac.kr
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