[바이오토픽] 반은 동물, 반은 기계인 로봇가오리 생명과학 양병찬 (2016-07-11 09:22) 《Science》 표지 캡처 켈빈 킷 파커는 인간의 심장을 만들고 싶어하고, 그의 어린 딸은 보스턴에 있는 뉴잉글랜드 아쿠아리움을 좋아한다. 지난주 《Science》에 소개된 '기적의 피조물'에서, 부녀(父女)의 꿈이 동시에 실현되었다(참고 1). 그것은 동전만 한 인공 노랑가오리로, '빛에 의해 제어되는 쥐의 심장근육'의 힘으로 헤엄을 친다. "살아 있는 로봇은 공학, 세포배양, 유전학, 생체역학의 발달을 집대성한 과학기술의 총아(寵兒)다"라고 워싱턴 대학교의 애덤 서머스 박사(통합생물학)는 말했다. "이번에 사용된 기술을 이용하여, 언젠가 인체의 일부를 재건(再建)할 수 있으리라 상상하는 사람도 있다"라고 중국 저장대학교(浙江大學)의 케디 쉬 박사(신경공학)는 말했다. 또한 "세포와 인공재료를 결합하여 맥동하는 구조체(pulsating structure)를 만듦으로써, 인간의 심장을 만들겠다는 파커의 꿈이 현실에 한발자국 다가섰다"고 말하는 전문가도 있다. 하버드 대학교의 응용물리학자인 파커는 5년 전 아쿠아리움을 방문했다가, 해파리에 흠뻑 빠져 로보틱스 분야에 발을 들여놓았다. 해파리의 리드미컬한 펌핑은 그로 하여금 '뛰는 심장'을 연상케 했다. 그가 이끄는 연구진은 이미 심근세포를 '실리콘 위의 얇은 필름'으로 성장시킨 상태였는데, 그는 '그 심근세포를 해파리 비슷한 펌프에 통합함으로써 작동시킬 수 있지 않을까?'라는 생각을 하게 되었다. 첫 번째 결과물은 메두소이드(mesuroid), 즉 ‘실리콘 시트 위에 놓인 심근세포’로 구성된 간단한 피조물이었다. 연구진은 그것을 얕은 컵(shallow cup) 모양으로 만들고, 가장자리를 빙 둘러가며 날개(flap)를 달았다. 소금과 설탕이 혼합된 용액 속에 넣어 세포를 유지하면서, 미약한 전기충격을 가하여 세포를 수축시키자, 실리콘 컵의 모양이 변하면서 해파리가 액체를 분출하며 용액 속을 유영(游泳)했다. "그것은 단지 연습에 불과했다. 나는 근육펌프를 좀 더 정교하게 만들려고 노력했다"라고 파커는 회상했다. 파커는 새로운 아이디어를 또 다시 아쿠아리움에서 얻었다. 그의 딸이 (어린이들이 만질 수 있도록 설계된 수조에서) 노랑가오리를 만지자, 그것은 몸 한쪽을 튕기며 방향을 획 틀어 달아났다. 파커는 그 장면을 보고, "노랑가오리가 방향을 바꾸는 방법과 심장의 흐름 사이에는 뭔가 비슷한 점이 있는 것 같다"는 생각이 들었다. 그래서 그는 해파리에서 가오리로 관심을 바꿔, 바이오하이브리드(biohybrid)의 복잡성을 증가시키기로 결정했다. 파커는 다시 한번 딸 덕분에 로봇을 제어하는 간단한 방법을 고안해냈다. 그것은 빛(light)이었다. 딸이 걸음마를 배우던 시절, 파커는 레이저포인터로 땅바닥을 비추며 딸의 보행을 도왔다. 딸은 불빛을 따라 발을 구르며 춤추듯 걸었는데, 파커는 '근육세포가 빛(인공광선)에 반응하도록 만들면 되겠구나'라고 생각한 것이다. 그는 광유전학(optogenetics)에 눈을 돌렸는데, 광유전학이란 세포의 유전자를 조작하여 광반응성 분자(light-responsive molecule)를 장착함으로써 연쇄적 신호전달(signaling cascade)을 촉발하는 기법을 말한다. 파커는 광유전학에 경험이 전무했지만 뚝심으로 밀어붙였다(그로 말하자면, 하버드 대학교에 교수로 부임하기 전후에 아프가니스탄에 미 육군 공수부대 중령으로 파병되어, 전쟁영웅으로 이름을 날린 사나이 중의 사나이였다). 그는 미 육군, 미 국립보건원(NIH) 등으로부터 연구비를 지원받아 연구를 진행하기로 결정했다. 그와 동시에, 파커는 박성진이라는 한국인 박사후 연구원에게 감독을 맡기며, "우리의 논문이 《Science》의 표지를 장식할 테니 두고 보시오"라고 장담했다. "나는 '불가능하다, 이건 미친 짓이다'라고 생각했죠"라고 박성진 박사는 회고했다. 파커의 장담이 실현되는 데는 꼬박 4년이 걸렸다. 박성진 박사가 이끄는 연구진은 먼저 노랑가오리를 해부하여, 근육의 배열방식을 연구했다. 후에 다른 연구실의 동료들은 '근육이 지느러미를 동시패션으로 움직여 가오리를 추동(推動)하는 메커니즘'을 분석했다. 가오리의 기본적인 해부학적 구조를 모방하기 위해, 박성진 박사는 수많은 연질로봇(soft-robot) 형태를 실험해 봤다. 그 결과 합격점을 받아 탄생한 것은 '두 개의 실리콘층 사이에, 가시가 여러 개 달린 금골격을 넣은(multipronged gold skeleton sandwiched between two silicone layers)' 샌드위치 형태였다. 가오리 한 마리를 움직이는 것은 약 20만 개의 심장세포인데, 그것은 이틀 지난(2日齡) 랫트의 배아에서 채취하여 실리콘 위에 배치한 것이다. 실리콘에는 세포외단백질(extracellular protein)과 피브로넥틴(fibronectin)으로 구성된 주형(template)이 깔려 있는데, 그것은 세포들이 (진짜 가오리 근육과 유사한) 방사상 패턴으로 성장하도록 유도하는 역할을 한다. "심장세포로 하여금 골격근처럼 움직이게 하려면, 그런 구조를 올바로 확립하는 것이 필수적이다"라고 UCSD의 앤드류 맥컬로크 박사(생체공학)는 논평했다. 그러나 파커 연구팀은 가오리의 근육구조를 그대로 모방하지는 않았다. 웨스트체스터 대학교의 프랭크 피시 박사(생체역학)에 의하면, 그들은 '지름길'을 선택했다고 한다. 즉, 진짜 가오리의 경우 각각의 가슴지느러미(pectoral fin)에 두 세트의 근육이 있는데, 이것들은 각각 반대방향으로 당기는 역할을 함으로써, 지느러미를 아래 위로 차례로 움직이게 한다. 이에 반해 로봇 가오리의 경우에는 한 세트의 근육만 있어서, 지느러미를 아래로만 구부러지게 한다. 그렇다면, 아래로 내려간 지느러미는 어떻게 위로 올라갈까? 그것은 금골격의 스프링 작용(spring action)에 맡기면 된다. 연구진은 바이러스를 이용하여 심장세포에 (광유전학 분자 스위치를 코딩하는) 유전자를 삽입했다. 이렇게 변형된 심장세포는 청색광을 받으면 씰룩거리게 되는데, 그 씰룩거림을 일관된 움직임으로 전환시키는 데만 몇 달이 걸렸다. 지느러미의 앞에 청색광을 비출 경우 앞으로 움직이게 하느라, 박성진 박사는 무려 200번의 실험을 수행했다. 긍극적으로, 박성진 박사는 100개 이상의 로봇을 만들어, 수중에서 장애물 코스를 자유자재로 통과할 수 있음을 증명했다. 방향전환을 위해, 박성진 박사는 각각의 지느러미당 하나씩 두 개의 광원(光源)을 사용했다. 빛을 비추는 빈도를 바꾸면 수축속도를 증감시킬 수 있으며, 양쪽의 수축속도가 다르면 로봇은 좌우로 움직이게 된다. 로봇 가오리는 시속 9미터로 움직이는 게 고작이며 방향을 서서히 전환하는데, 이는 진짜 노랑가오리의 기준에 따르면 '매우 한심한' 수준이다. 그러나 프린스턴 대학교의 알렉산더 스미츠 박사(기계공학)에 의하면, "그 모든 것을 종합한 것만 해도 굉장하다"고 한다. 실리콘 지느러미에 전자제어 막대와 케이블을 장착하여 커다란 만타봇(manta bot)을 설계한 바 있는 피시 박사는, 로봇 가오리를 '로보틱스 분야의 커다란 진보'라고 평가한다. "이로써 우리는 생물학과 공학을 융합시키는 단계에 도달했다"고 그는 말했다. 그러나 갈 길은 아직 멀다. '살아있는 근육을 지닌 로봇'은 영양분이 풍부한 용액 속에서만 작동하며, 용액의 온도는 랫트의 체온을 유지해야 한다. 피시 박사는 "로봇 가오리를 좀 더 자연적인 환경에서 움직이게 하는 것이 관건이다"라고 지적한다. 또한 이런 식의 접근방법이 실제 로봇으로 이어질 수 있을 지도 의문이며, 박성진 & 파커의 진정한 관심사와 부합되는지도 불확실하다. 그들의 궁극적인 관심사는 바이오인공심장(bioartificial heart)이다. "제2의 근육세포층을 추가하는 것만도 벅찬 일이다. '완벽한 심장이나 완벽한 동물의 복잡성을 재현했다'는 생각일랑 하지도 마라. 로봇 가오리는 심장의 어느 부분과도 무관하다. 특히 로봇 가오리의 심장세포는 매우 부자연스런 방법으로 사용되고 있다"라고 미 국립 심장·폐·혈액연구소의 데니스 벅스턴은 말했다. 그러나 파커를 비롯한 다른 사람들에게는, 부자연스런 방법(unnatural way)이라는 말이 매우 의미심장하게 들린다. "심장은 텅 빈 세포다. 로봇 가오리의 특징 중 상당수는 심장에서도 발견된다"고 스위스 취리히 대학 부설 재생의학연구소의 시몬 회르스트루프 박사(심혈관 외과의사)는 말한다. 파커는 자신의 연구팀이 만든 미니 로봇 가오리를 '기술'은 물론 '하나의 예술품'으로 간주한다. "모든 사람들은 뭔가 다른 것을 보게 될 것이다. 나는 그것을 바라보며 심장을 이해함과 동시에, 일곱 살 난 딸에게 깊은 인상을 준다"고 그는 말한다. 【동영상 해설】 '반은 동물, 반은 기계'인 로봇 가오리 1. 이것은 인공 피조물(artificial creature)이다. 즉, 완전한 로봇도 아니고, 완전한 생물체도 아니라는 이야기다. 2. 탄성중합체(elastomer body): 이 '작고 탄력있는 몸'은 가오리를 흉내내기 위해 만들어졌다. 3. 금골격(gold skeleton): 뻣뻣한 금골격은 탄성에너지를 저장하는 방법을 제공한다. 4. 심근세포(cardiomyocyte): 가오리의 몸체는 20만 개의 살아있는 심근세포로 코팅되었는데, 그것들은 유전자조작을 통해 빛에 반응하도록 만들어졌다. 5. 빛에 노출되면, 심근세포가 수축함으로써, 가오리가 날개를 펄럭인다. 6. 세포들은 실리콘 위에 구불구불한 패턴(serpentine pattern)으로 프린트되었다. 그래야만 세포가 차례로 수축할 때마다 날개의 움직임이 조절되기 때문이다. 7. 각각의 날개는 상이한 빛패턴에 맞춰져 있어, 로봇 가오리로 하여금 방향을 전환할 수 있게 해준다. 8. 그런데 과학자들은 왜 하이브리드 가오리를 만들었을까? 9. ① 조직공학 측면에서 보면, 이런 심장세포의 구조를 연구하고 제어함으로써 인공심장을 만들 수 있기 때문이다. ② 인공동물 측면에서 보면, 이런 하이브리드를 연구함으로써 인공생물을 만드는 길을 열 수 있기 때문이다. 그것은 많은 감각입력(sensory input)에 대응하여 복잡한 행동을 나타낼 수 있으며, 합성인식(synthetic cognition)을 향한 작은 첫걸음이기도 하다. ※ 참고문헌1. Sung-Jin Park, Kevin Kit Parker, “Phototactic guidance of a tissue-engineered soft-robotic ray”, Science  08 Jul 2016: Vol. 353, Issue 6295, pp. 158-162 (http://science.sciencemag.org/content/353/6295/158) ※ 출처: Science http://www.sciencemag.org/news/2016/07/robotic-stingray-powered-light-activated-muscle-cells http://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=news&id=273858&BackLink=L3RyZW5kL25ld3MvaW5kZXgucGhwP3RvZGF5PTIwMTYtMDctMTE=