인공 힘줄로 근육 구동 로봇의 성능 향상

우리의 근육은 자연의 원동력입니다. 구불구불한 조직은 우리 몸을 움직이게 하는 힘을 생성합니다. 최근 몇 년 동안 엔지니어들은 실제 근육 조직을 사용하여 살아있는 조직과 합성 부품으로 만들어진 작동하는 “바이오하이브리드 로봇”을 만들었습니다. 연구원들은 실험실에서 자란 근육과 합성 골격을 결합하여 근육으로 움직이는 크롤러, 보행기, 수영 선수 및 그리퍼 배열을 엔지니어링하고 있습니다.

그러나 대부분의 경우 이러한 설계는 생성할 수 있는 전력의 속도와 양이 제한되어 있습니다. 이제 MIT 엔지니어들은 인공 힘줄을 이용해 바이오봇에 파워 리프트를 제공하는 것을 목표로 하고 있습니다.

오늘 저널에 발표된 연구에서 첨단 과학, 연구진은 단단하고 유연한 하이드로겔로 만들어진 인공 힘줄을 개발했습니다. 그들은 실험실에서 배양한 작은 근육 조각의 양쪽 끝에 고무줄 같은 힘줄을 부착하여 “근육-힘줄 단위”를 만들었습니다. 그런 다음 각 인공 힘줄의 끝을 로봇 그리퍼의 손가락에 연결했습니다.

그가 중앙 근육을 자극하여 수축하게 했을 때, 힘줄이 그리퍼의 손가락을 서로 잡아당겼습니다. 로봇은 힘줄을 연결하지 않은 유사한 디자인보다 3배 더 빠르고 30배 더 많은 힘으로 손가락을 연결했습니다.

연구원들은 새로운 근육-힘줄 유닛이 보편적 공학 요소와 같은 광범위한 바이오 하이브리드 로봇 설계에 적합할 수 있다고 생각합니다.

“우리는 근육 작동기와 로봇 골격 사이의 교환 가능한 커넥터로 인공 힘줄을 도입하고 있습니다.”라고 MIT 기계 공학과(MeCE) 조교수인 수석 저자 Ritu Raman이 말했습니다. “이러한 모듈성은 미세 수술 도구부터 적응형 자율 탐색 기계에 이르기까지 광범위한 로봇 응용 프로그램을 더 쉽게 설계할 수 있게 해줍니다.”

이 연구의 MIT 공동 저자로는 대학원생 Nicholas Castro, Mahira Bawa, Bastian Aymon, Sonika Kohli 및 Angel Boo가 있습니다. 아니카 마시너(Annika Marshner) 졸업; 박사후 연구원 Ronald Heiser; 동문 Sara J. Wu ’19, SM ’21, PhD ’24 및 Laura Rosado ’22, SM ’25; MECA 교수 Martin Culpepper와 Xuanhe Zhao.

근육 증가

MIT의 Raman과 그의 동료들은 지난 10년 동안 등장한 비교적 새로운 분야인 바이오하이브리드 로봇공학의 최전선에 있습니다. 그들은 합성 구조 로봇 부품을 살아있는 근육 조직과 천연 액추에이터로 결합하는 데 중점을 둡니다.

“엔지니어가 일반적으로 사용하는 대부분의 액추에이터는 소형화하기가 정말 어렵습니다.”라고 Raman은 말합니다. “특정 크기 이후에는 기본 물리학이 작동하지 않습니다. 근육의 멋진 점은 각 세포가 힘을 생성하고 움직임을 생성하는 독립적인 액추에이터라는 것입니다. 따라서 이론적으로는 정말 작은 로봇을 만들 수 있습니다.”

근육 액츄에이터에는 Raman 팀이 이미 입증한 다른 장점도 있습니다. 조직은 작동하면서 더 강해지고, 부상을 입으면 자연적으로 치유될 수 있습니다. 이러한 이유로 라만과 다른 사람들은 근육질의 드로이드가 언젠가 인간에게 너무 멀거나 위험한 환경을 탐험하기 위해 보내질 수 있다고 상상합니다. 이러한 근육에 묶인 로봇은 예상치 못한 여행에 대비해 스스로 힘을 키우거나 도움을 받을 수 없을 때 스스로 바로잡을 수 있습니다. 바이오하이브리드 로봇은 신체 내부에서 섬세하고 미세한 수술을 수행하는 작은 수술 보조자 역할도 할 수 있습니다.

이러한 모든 미래 시나리오는 Raman과 다른 사람들이 살아있는 근육과 합성 골격을 결합하는 방법을 찾도록 영감을 줍니다. 현재까지의 디자인에는 근육 밴드를 성장시키고 두 기둥 주위에 고무 밴드를 감는 것과 같이 합성 골격에 양쪽 끝을 연결하는 작업이 포함됩니다. 근육이 수축되도록 자극을 받으면 골격의 일부를 함께 당겨 원하는 움직임을 생성할 수 있습니다.

그러나 Raman은 이 방법이 조직을 움직이기보다는 골격에 부착하는 데 사용되는 낭비되는 근육을 많이 생성한다고 말합니다. 그리고 그 연결이 항상 안전한 것은 아닙니다. 근육은 골격 구조에 비해 상당히 부드럽기 때문에 그 차이로 인해 근육이 찢어지거나 분리될 수 있습니다. 더욱이 어떤 작업을 수행하는 것은 근육의 중간 부분의 수축입니다. 이는 상대적으로 작고 힘을 거의 생성하지 않습니다.

“우리는 어떻게 근육 물질의 낭비를 막고, 무엇이든 부착할 수 있도록 모듈식으로 만들고, 더 효율적으로 작동하게 만들 수 있는 방법을 생각했습니다.” 라만은 말합니다. “신체가 발견한 해결책은 근육과 뼈 사이의 강성의 중간에 힘줄을 두는 것입니다. 이를 통해 부드러운 근육과 단단한 골격 사이의 기계적 불일치를 메울 수 있습니다. 이는 관절 주위를 효율적으로 감싸는 얇은 케이블과 같습니다.”

“스마트하게 연결됨”

새로운 연구에서 Raman과 그의 동료들은 자연 근육 조직을 합성 그리퍼 골격에 연결하는 인공 힘줄을 설계했습니다. 그들이 선택한 재료는 질척거리지만 강한 폴리머 기반 젤인 하이드로겔이었습니다. Raman은 MIT에서 하이드로겔 개발을 개척한 동료이자 공동 저자인 Xuanhe Zhao로부터 하이드로겔 샘플을 얻었습니다. Zhao의 그룹은 합성 및 생물학적 물질을 포함하여 여러 표면에 붙을 수 있는 다양한 강성과 신축성을 지닌 하이드로겔 제조법을 만들었습니다.

그리퍼 설계에서 작동하기 위해 인공 힘줄이 얼마나 강하고 유연해야 하는지 파악하기 위해 Raman 팀은 먼저 세 가지 유형의 스프링으로 구성된 간단한 시스템으로 설계를 스케치했습니다. 각 스프링은 각각 중앙 근육, 두 개의 연결 힘줄, 그리퍼 골격을 나타냅니다. 그는 미리 알려진 근육과 골격에 특정 강성을 할당하고 이를 사용하여 그리퍼를 원하는 양만큼 움직이는 데 필요한 연결 힘줄의 강성을 계산했습니다.

이 모델링을 통해 팀은 특정 강성을 갖는 하이드로겔의 제조법을 도출했습니다. 젤이 만들어지면 연구자들은 젤을 얇은 케이블로 조심스럽게 조각하여 인공 힘줄을 만들었습니다. 그들은 실험실 표준 기술을 사용하여 성장한 작은 근육 조직 샘플의 양쪽 끝에 두 개의 힘줄을 부착했습니다. 그런 다음 정밀 기계 설계 및 제작 전문가인 Mekai 교수 Martin Culpepper가 개발한 골격 설계인 로봇 그리퍼의 각 손가락 끝에 있는 작은 기둥에 각 힘줄을 감았습니다.

팀이 근육을 수축하도록 자극하면 힘줄이 그리퍼를 당기고 손가락을 서로 연결했습니다. 여러 실험에서 연구자들은 근육-힘줄 그리퍼가 근육 조직 밴드만으로(그리고 인공 힘줄 없이) 활성화되었을 때보다 그리퍼가 3배 더 빠르게 작동하고 30배 더 많은 힘을 생성한다는 것을 발견했습니다. 새로운 힘줄 기반 디자인은 7,000주기 또는 근육 수축 중에도 이러한 성능을 유지할 수 있었습니다.

전반적으로 Raman은 인공 힘줄을 추가하면 로봇의 중량 대비 출력 비율이 11배 증가한다는 사실을 관찰했습니다. 이는 시스템이 동일한 양의 작업을 수행하는 데 훨씬 적은 근육이 필요하다는 것을 의미합니다.

“필요한 것은 뼈대에 교묘하게 부착된 작은 액추에이터 조각뿐입니다.”라고 Raman은 말합니다. “일반적으로 근육이 매우 부드럽고 저항력이 높은 물체에 부착된 경우 무엇이든 움직이기 전에 스스로 찢어집니다. 그러나 찢어짐에 저항할 수 있는 힘줄과 같은 것에 부착하면 실제로 힘줄을 통해 힘을 전달할 수 있으며 그렇지 않으면 움직일 수 없는 골격을 움직일 수 있습니다.”

팀의 새로운 근육-힘줄 디자인은 생물학과 로봇 공학을 성공적으로 통합했다고 ETH Zurich의 건강 과학 및 기술 부교수인 생의학 엔지니어 Simone Schürrle-Finke가 말했습니다.

이번 연구에 참여하지 않은 Shurle-Finke는 “강인한 하이드로겔 힘줄은 보다 해부학적인 근육-힘줄-뼈 구조를 만들어 힘 전달, 내구성 및 모듈성을 크게 향상시킵니다”라고 말했습니다. “이것은 계속해서 작동할 수 있고 궁극적으로 실험실 밖에서 기능할 수 있는 바이오하이브리드 시스템으로 분야를 이동시킵니다.”

새로운 인공 힘줄과 함께 Raman의 그룹은 실제 환경에서 근육으로 구동되는 로봇을 가능하게 하기 위해 피부와 같은 보호 덮개와 같은 다른 요소를 개발하고 있습니다.

이 연구는 부분적으로 미 국방부 육군 연구실, MIT 연구 지원 위원회, 국립과학재단의 지원을 받았습니다.