한경원 교수님 연구실: 헬스케어 로보틱스 연구실

연구실 대표 김지엽 연구원

Q1. 간단한 연구실 소개와 연구 분야 소개 부탁드립니다.
저희 연구실은 ‘헬스케어 로보틱스 연구실’로 의료 분야에 응용될 수 있는 액츄에이터, 센서, 메커니즘 등을 개발하고 있고, 메디컬 분야에서 히어로가 될 수 있는 연구들을 진행해보려 합니다. 메디컬은 정말 넓고 광활한 분야인데 저희 연구실은 그 중 4가지에 대해 중점적으로 연구를 진행하고 있습니다. 첫 번째로, 수술 로봇입니다. 원격 로봇 수술 시스템은 수술 도구를 조종하는 의사 쪽과 실제 수술이 일어나는 환자 쪽으로 나눌 수 있는데, 우선 의사 쪽에서는 의사의 입장에서 실제로 수술을 집도하고 있는 듯한 촉감(haptic feedback)을 느끼게 하여 로봇 수술의 정확성과 안정성을 높이려 합니다. 이를 구현하기 위해 다양한 촉각 피드백(힘, 강성, 모양, 텍스처 등)을 전달할 수 있는 디바이스 제작에 관심을 두고 있습니다. 두번째로, 수술 로봇의 환자 쪽 시스템에서는 실제 환자와 안전하게 인터랙션하며 중요한 기능을 수행할 수 있는 기구들을 개발하고 있습니다. 예로, 척추 수술 시에 신경과 신경 이외의 조직을 구별할 수 있는 센서가 탑재된 수술 기구, 그리고 작은 힘으로 조직을 잡고 다룰 수 있는 스마트 그리핑 툴을 연구 중입니다. 세 번째로, 노화나 선천적인 문제로 장기에 문제가 있는 분들을 위한 이식 가능한 디바이스를 개발하려고 합니다. 특히, 장기의 특성을 살릴 수 있는 방향으로 장기의 구동을 도와주고 센싱을 통해 상태를 확인할 수 있도록 만들고자 합니다. 마지막 분야로, 소프트한 재료에 스마트한 구조와 재료를 이용하여 인공 근육을 연구하고 있습니다. 최종적으로 저희는 메디컬 분야에서 더 진보한 기술을 만드는 역할을 하려고 노력하고 있습니다.

Q2. 그렇다면 앞서 말씀해주신 연구를 진행하기 위해서 사용하고 있는 장비나 설비는 어떤 것들이 있을까요?
2022년 3월에 오픈한 저희 연구실은 장비를 하나하나 갖춰가고 있습니다. 우선, 기본적인 프로토타이핑을 위한 두 종류의 3D 프린터가 있고, 폴리머 캐스팅과 관련된 진공 오븐, 스핀 코터, 흄후드 등의 장비들을 갖추고 있습니다. 또한, 정밀한 센서나 구조를 만들기 위해 금속, 폴리머 등 다양한 재료를 세밀하게 패터닝하고 자를 수 있는 UV마킹기를 구비하고 있습니다. 연구실에서는 고전압 저전류 액츄에이터를 연구하는데, 이를 구동하기 위한 고전압 증폭기인 high voltage amplifier을 구비하고 있습니다. 이외에도 여러 기구들을 가지고 원하는 디바이스를 만들고 측정, 검증할 수 있는 능력을 갖춘 랩으로 성장하고 있습니다.

Q3. 그러면 조금 더 세부적으로 대표 연구를 통해 최근 진행하고 계신 연구들이 어떤 것들이 있는지 소개해주세요.
저는 심장에 이식할 수 있는 기기들을 만들고 있습니다. 매해 많은 인원들이 심부전에 걸리는데 심부전을 완전히 고칠 수 있는 방법은 딱하나 ‘심장이식’입니다. 그래서 심장이식을 받기 위해 기다리는 동안 좌심실 보조장치인 LVAD(Left Ventricular Assist Device)를 몸에 달고 살아갑니다. 그런데 LVAD 자체를 구동하기 위해서 약 17kg의 무겁고 커다란 배터리가 필요하고 출혈, 감염, 뇌졸중 등의 합병증 위험이 있습니다. 그래서 저희는 소프트하고 컴팩트하지만 작은 에너지로 큰 힘을 낼 수 있는 심장 보조 디바이스를 전기활성화폴리머(Electroactive polymer, EAP)를 이용하여 만들려고 노력하고 있습니다. 이 외에, 센서를 탑재한 똑똑한 수술 도구들을 개발하려고 하고 있고 대표적으로는 신경이랑 이외의 조직을 구별할 수 있는 특별한 기술을 사용해서 진행해보려고 합니다.

Q4. 그러면 이런 연구들을 시작하게 된 계기에 대해 말씀해주실 수 있을까요?
심장 이식 기기는 현재 제가 진행하고 있는 연구인데요, 교수님께서 포닥 시절부터 심장에 대한 관심이 많으셨고 미국에서 진행하셨던 과제들에 대해 이런 저런 이야기를 나누다 보니 심장 자체가 어렵지만 해야 될 것이 참 많은 장기라는 생각이 들어서 연구를 시작하게 되었습니다. 센서를 탑재한 수술 도구는 의사 선생님께서 수술 중 꼭 있었으면 하는 센서에 대해 말씀해 주셨고 거기서부터 시작하게 되었습니다. 우리가 어떻게 하면 조직에 손상을 주지 않으면서 수술할 수 있을까, 이러한 궁금증으로 확장해 나가고 있습니다.

Q5. 그렇다면 말씀해주신 연구를 진행할 때, 어떤 점이 어려웠고 어떻게 극복하셨나요?
제가 연구하고 있는 심장 이식 기기에 대해서 말씀드리자면, EAP를 이용해서 제작하고 있는데 고전압이 들어가다 보니 어떻게 제작하느냐에 따라서 EAP가 정말 예민하게 반응합니다. 그래서 처음에는 쇼트가 나서 구멍이 나는 등 시행착오가 있었는데 교수님께서 경험을 토대로 조언을 많이 해 주셔서 문제 해결에 많은 도움을 받을 수 있었습니다. 그 뿐만 아니라 대학원생들과 학부생들과 겪고 있는 문제에 대해 얘기를 하면서 해결 방향을 찾을 수 있었던 것 같습니다.

Q6. 추가적으로 연구실에 대해서 언급하실 부분이 있을까요?
저희 연구실은 연구 주제의 자율성이 있다는 것이 정말 큰 장점이라고 생각합니다. 이제 점점 발전하는 연구실이기에 하고 싶은 것을 많이 반영해서 진행할 수 있습니다. 그리고 혼자서는 절대로 생각하지 못했던 것을 교수님을 포함한 학생들과 얘기하면서 접근방법을 도출해내다 보니까 스스로 조금씩 발전하고 있다는 느낌을 받는 것이 장점인 것 같습니다.
또한 저희 연구실의 특징을 말씀드리자면, 메디컬 분야를 연구하고 있기 때문에 저희가 생각하는 아이디어가 아무리 좋고 잘 만들어져도 의사 선생님들이 느끼시기에 불필요한 기술이 돼 버리면 의미가 없는 기술이 되어버립니다. 따라서 의사 선생님들과의 협업이 정말 중요한 분야입니다. 그렇기 때문에, 단순히 제어 혹은 페브리케이션만 공부하는 것이 아니라 생리적으로 어떻게 될지, 부차적으로 생기는 부작용은 없을지 등의 요소를 많이 연구해야 합니다. 앞서 말씀드린 LVAD 같은 경우에도 성능은 굉장히 훌륭하지만 혈액이 닿아서 혈전이 생긴다거나 우심실에 무리가 된다거나 등의 합병증이 생기기 때문에 이런 점을 해결할 수 있는 방법에 대해 고민하고 있는 연구실입니다.

MEch-SSENGER 김인영, 송세인