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1. 개요
의료 로봇은 의료 환경에서 환자의 진단, 치료, 수술, 재활, 간호 등 다양한 의료 행위를 지원하거나 수행하는 데 사용되는 로봇 기술을 뜻한다.
의료 로봇은 의학, 공학, 인공지능 및 컴퓨터과학의 융합으로 만들어지며, 의료진의 역량을 보조하거나 작업의 효율성을 높이고 환자의 삶의 질을 개선하는데 기여한다.
의료 로봇은 2019년 말 코로나-19 판데믹의 발생으로 앞으로 수요가 더 증가할 것으로 보이며, 첨단 기술과의 융합으로 앞으로 더 많은 분야에서 의료 로봇이 활용될 가능성이 높다.
2. 역사
의료 로봇은 의학 분야에서 로봇 기술을 활용한 다양한 시스템과 장치를 의미한다.로봇 공학의 기초 개념은 1950년에 아이작 아시모프가 로봇 공학의 3원칙[1]을 소개하면서 로봇과 인간의 관계에 대한 철학적 논의가 대중적으로 확산되었고, 1960년대까지는 주로 산업용 로봇에 대한 연구가 집중되었다.
1970년대에 들어서야 로봇기술이 의학에 본격적으로 도입되기 시작했다. 1974년에는 병원에서 물품을 운반하는'helpmate'[2]로봇이 등장했으며, 이를 시작으로 여러 형태의 병원용 이동로봇들이 개발되었다. 1985년에는 'PUMA 560[3]'로봇이 뇌 생검 시술에서 최초로 사용되어, 로봇 기술이 정밀 수술에 활용 될 수 있음을 보여주었다.
1990년대 중반, 미국 국방부의 미국 국방고등연구계획국(DARPA)가 SRI 인터내셔널(SRI international)[4]과 협력하여 부상당한 병사를 원격으로 치료할 수 있는 기술 개발을 위한 프로젝트를 진행했다. 이 프로젝트에서 텔레프레전스[5] 기술 기반 원격 기술이 개발되었으며, 이는 1999년에 등장한 인튜이티브 서지컬(intuitive surgical)의 다빈치(수술용 로봇)의 기반이 되었다. 다빈치(수술용 로봇)는 로봇 보조 수술의 상용화를 이끌며, 2000년대부터 전 세계적으로 널리 보급되었다.
2000년대에는 재활 로봇과 간병 로봇이 개발되면서, 의료 로봇의 활용분야가 더욱 확대되었고, 다양한 의료 분야에서 보조적 역할을 하게 되었다. 특히 2019년 말, 코로나-19 판데믹 발생 이후 병원에서의 물품 이송, 방역, 비대면 검사 등에 로봇을 활용하려는 수요가 급증했으며, 이 시점에 진단로봇, 약품 배송 로봇, 방역 로봇 등이 연구 및 상용화되었다.
3. 종류
의료 로봇의 종류는 매우 다양하며, 주요 카테고리로는 다음과 같은 것들이 있다.3.1. 수술 로봇
로봇 팔을 이용해 정밀한 수술을 수행하는 장치로, 가장 잘 알려진 예는 다빈치(수술용 로봇)이다.
이는 외과 수술에서 의사의 손 떨림을 줄이고, 미세한 절개와 정교한 수술을 가능하게 한다.
3.1.1. 수술 로봇 종류
3.1.1.1. 로보닥
최초로 개발된 의료용 로봇이다.
로보닥은 인공관절 삽입시술에 있어 정교한 뼈의 절삭[6]을 위해 사용되는 로봇이다.
인공 관절이 들어갈 위치의 뼈를 정교하게 깎거나 잘라 내는 역할을 하는데, 정확한 계산으로 불필요한 뼈를 잘라 내는 등의 수술 오차를 줄일 수 있어 부작용이 적고 재수술 가능성도 낮다는 강점이 있다.
정형외과의 슬관절[7], 고관절[8] 수술에 사용된다.
올소닥과 로보닥의 구성으로 이루어져 있다.
- 올소닥(ORTHODOC)
CT영상을 바탕으로 다각도의 이미지를 재구성하고, 이를 활용하여 환자에게 가장 알맞은 보철물의 크기/위치/각도 등을 설정할 수 있다.
- 로보닥(ROBODOC)
또 뼈움직임 감시기(BMM[9])를 이용하여 환자의 움직임을 감시하고 수술과정을 실시간 확인할 수 있다.
3.1.1.2. 이솝
이솝은 수술할 때 보조 의사의 역할을 대신하는 로봇이다.
단순한 1개의 로봇 팔에 카메라를 연결한 후 카메라의 위치를 시술자의 명령에 따라 좌우 혹은 상하의 조절을 하는 로봇이다.
카메라가 달린 팔을 통해 수술 위치를 볼 수 있고, 의사 소통에 신경 쓸 필요가 없어서 편리하다.
이는 시술자와 보조의사간의 잘못된 의사전달로 인한 수술 시간의 지연이나, 보조의사의 피로에 따른 사고 위험성을 줄이는데 커다란 도움이 된다.
3.1.1.3. 제우스
제우스는 수술하는 의사의 양손을 대신하는 원격 수술 로봇이다.
의사 대신에 수술 도구를 잡고 동작을 따라 하도록 만들어졌다.
하지만 제우스의 경우 단순히 수술 도구를 잡아 주는 역할만 가능하였기에, 실제 의료에 큰 역할을 하지 못하고 제품의 생산과 사용이 중단되었다.
3.1.1.4. 다빈치(수술용 로봇)
다빈치(수술용 로봇)는 미국 인튜이티브서지컬(Intuitive Surgical) 사에 의해 1999년 처음 출시되었다.
현재 많은 나라에서 산부인과, 외과, 비뇨기과, 심장, 흉부 외과 등의 여러 수술에 이용되고 있는 가장 대표적인 수술 로봇이다.
수술 부위에 여러 개의 작은 구멍을 뚫은 뒤 카메라가 달린 팔을 환자의 몸속에 넣어 수술하며, 분리된 다른 기기에서 의사가 카메라 팔을 조종한다.
의사는 카메라를 통해 실시간으로 전달되는 환자의 몸속 영상을 보면서 로봇을 조작한다.
다빈치(수술용 로봇)는 고화질 3D 영상과 10배까지 확대된 시야를 포함한 다양한 기능을 제공한다.
의사는 다빈치(수술용 로봇)를 조종하여 자신의 손 움직임을 환자 체내의 소형 기구로 전달해 수술한다.
현재까지 전 세계적으로 다빈치(수술용 로봇)를 이용하여 300만 건 이상의 수술이 성공적으로 이루어졌다.
다빈치(수술용 로봇)의 기능은 복잡하고 어려운 수술에서 특히 효과적이며, 전립선, 자궁 경부, 자궁, 결장/직장암 및 심장 질환 등을 치료하기 위한 최소침습수술[10]에 유용하다.
다빈치(수술용 로봇)의 사용은 선진국의 거의 모든 우수 대학 병원과 수련 병원에 사용하고 있을 정도로 이미 보편화되었다.
3.1.2. 수술 로봇 기술
3.1.2.1. 정밀 제어 기술
로봇의 움직임을 미세하고 정확하게 제어하는 기술로, 전기 모터, 기어, 센서 등을 이용해 부드럽고 안정된 동작을 구현한다.수술 로봇의 팔이나 도구가 의사의 손 떨림을 보정하고, 복잡한 신체 구조 내에서 정확한 절개 및 봉합 작업을 수행하도록 돕는다.
특히, 좁은 공간에서 최소한의 조직 손상을 보장한다.
3.1.2.2. 3D 영상 처리 기술
3D 카메라와 컴퓨터 비전을 사용해 수술 부위를 고해상도로 시각화하고, 입체적 깊이와 세부 사항을 제공한다.수술 로봇이 3D 내시경 카메라로 수술 부위를 확대, 입체적으로 보여주어, 의사가 조직, 혈관, 신경 등을 명확히 구분하도록 돕는다.
깊이감 있는 시야를 통해 안전한 수술을 지원한다.
3.1.2.3. 힘 피드백(촉각 센서)
로봇 팔이 가하는 힘과 환부에서의 반작용을 측정해 조작자(의사)에게 전달하는 기술이다.수술 시 조직을 지나치게 누르거나 당기지 않도록 제어해 민감한 신경이나 혈관의 손상을 방지한다.
예를 들어, 봉합할 때 바늘의 저항을 감지해 힘을 조절한다.
3.1.2.4. 인공지능(AI)
데이터를 기반으로 의사결정을 돕거나 작업을 자동화하는 기술이다.이미지 처리, 패턴 분석, 실시간 학습 등을 포함한다.
CT, MRI 등 영상 데이터를 분석해 병변 위치를 식별하거나, 실시간으로 수술 진행 상황을 모니터링해 위험 신호를 경고한다.
AI는 또한 수술 경로를 최적화하거나 의사의 작업을 예측하여 보조한다.
3.1.2.5. 원격 제어 기술
의사가 멀리 떨어진 장소에서도 로봇을 조작할 수 있도록 하는 기술이다.고속 데이터 통신과 정밀 제어가 핵심이다.
군사 지역, 오지 또는 긴급 상황에서 외과의사가 원격으로 수술 로봇을 조작해 환자를 치료한다.
3.1.2.6. 최소 침습 수술(MIS) 기술
작은 절개를 통해 내부 장기에 접근하여 치료하는 기술이다.로봇이 미세한 공간에서 정밀 작업을 수행하도록 설계한다.
로봇 팔이 좁은 절개 부위로 들어가 카메라와 도구를 통해 수술한다.
환자의 출혈을 최소화하고, 흉터를 줄이며, 회복 기간을 단축한다.
대표적으로 로봇 보조 복강경 수술에서 사용된다.
3.2. 재활 로봇
재활 로봇은 환자가 신체 기능을 회복하거나 향상시키는 데 도움을 주는 로봇 시스템으로, 주로 운동 능력 회복을 목표로 한다.
이러한 로봇은 물리치료나 운동 재활에서 사용되며, 특히 신경학적 손상이나 근골격계 질환이 있는 환자에게 유용하다.
3.2.1. 로보틱 손 재활 장치(예: Hand of Hope)
손이나 손가락의 운동 회복을 돕는 재활 로봇 장치이다.
이 시스템은 손가락과 손목의 움직임을 정밀하게 지원하여, 뇌졸중이나 사고로 손상을 입은 환자가 손 기능을 회복하는 데 도움을 준다.
3.2.1.1. 과학적 원리
3.2.1.1.1. 로보틱 보조기기 (Robotic Assistive Devices)
로봇 기반 손 보조기기는 손과 팔의 운동을 돕기 위한 기계적인 장치다.이 기술은 정밀한 운동 제어를 제공하여, 환자가 손의 움직임을 다시 배울 수 있도록 돕는다.
핸드 오브 호프와 같은 시스템에서는 손의 능동적인 움직임과 반응을 학습하는 데 로봇 기술을 사용하여, 환자가 손을 더 잘 사용할 수 있도록 돕는다.
3.2.1.1.2. 근전도 기반 기술 (Electromyography-based Technology)
근전도(EMG, Electromyography) 기술은 근육의 전기적 활동을 측정하는 기술로, 손의 근육 신호를 실시간으로 모니터링하고 이를 로봇 기기나 보조기기와 연결하여 운동 제어를 가능하게 한다.
환자가 손을 움직이려는 의도만으로도 근육에서 발생하는 전기 신호를 읽어내어, 의도된 운동을 실시간으로 추적하고, 이를 외부 장치와 연결하여 운동 제어를 가능하게 만든다.
로봇이 손의 동작을 보조하거나 자기 훈련[11]을 할 수 있다.
예를 들어, 손을 움켜잡으려는 신호가 감지되면 로봇 손이나 보조기기가 이를 자동으로 인식하여 환자가 움직임을 실행할 수 있도록 돕는다.
3.2.1.1.3. 신경 재활 기술 (Neurorehabilitation Technologies)
신경 재활 기술은 손의 기능을 회복하기 위해 뇌와 신경을 재훈련하는 데 중점을 둔다.뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)[12]나 신경 자극 기술 [13]은 뇌에서 나오는 신호를 로봇 시스템과 연결하여 신경 경로를 자극하고, 손의 기능을 다시 훈련시킨다.
이 기술은 뇌의 신경가소성(plasticity)[14]을 활용하여 손과 팔의 움직임을 다시 학습하도록 돕는다.
3.2.1.1.4. 가상 현실 (VR) 및 증강 현실 (AR)
가상 현실(VR) 또는 증강 현실(AR) 기술을 활용하여 인터랙티브한 환경에서 손의 재활 훈련을 지원한다.VR/AR 시스템은 환자가 실제 환경에서 손을 사용하듯이 훈련할 수 있게 해 주며, 이를 통해 손의 기능을 자연스럽게 회복할 수 있도록 돕는다.
예를 들어, 가상 환경에서 손을 움직여 물체를 집거나 움직이는 훈련을 하게 되면, 실제 손의 움직임에 대한 인지적 훈련[15]과 신경학적 훈련[16]이 함께 이루어진다.
3.2.1.1.5. 운동 훈련 알고리즘 (Motion Training Algorithms)
AI 및 기계 학습을 기반으로 한 운동 훈련 알고리즘은 환자의 진행 상황을 실시간으로 모니터링하고, 훈련을 점진적으로 조정하는 기술이다.이를 통해 환자는 손의 기능을 점차적으로 회복할 수 있도록 돕는다.
개인화된 훈련 계획을 제공하여, 환자의 특성과 필요에 맞는 운동을 제시하고 효율적인 재활을 유도한다.
3.2.1.1.6. 촉각 피드백 기술 (Tactile Feedback Technology)
촉각 피드백은 환자가 손을 움직일 때, 실제로 그 움직임에 대한 감각적 반응을 받을 수 있도록 하는 기술이다.예를 들어, 로봇 손이나 보조기기에서 진동이나 압력을 제공하여, 환자가 손 움직임을 하면서 감각적으로 반응을 느끼고 이를 학습하게 한다.
이 기술은 감각 회복을 도와주며, 손의 정밀한 운동 제어를 위한 중요한 역할을 한다.
3.2.2. 로보틱 수영 재활 시스템 (예: Aquatrac 3000)
물 속에서의 재활 훈련을 지원하는 로봇입니다. 수중 환경에서의 저항을 이용해 근육을 강화하고, 관절에 부담을 최소화하면서 운동 기능을 회복하도록 돕는다.
뇌졸중, 외상성 뇌손상, 척수 손상, 파킨슨병, 류마티스 관절염, 근골격계 장애 질환, 골절 등으로 이동 보행 및 일상생활동작에 제한이 있는 환자들이 사용한다.
3.2.2.1. 과학적 원리
3.2.2.1.1. 부력 원리를 통한 수중 운동의 재활 효과
물속에서 부력은 신체의 무게를 가볍게 만들어준다.물속에서 운동할 때, 신체의 일부가 물에 잠기면서 부력이 작용하여 체중의 일부를 지탱해주어 중력의 영향을 줄여 주기 때문에 환자가 더 넓은 운동 범위를 안전하게 수행할 수 있도록 한다.
관절이나 뼈에 가해지는 압력을 줄여주어 관절염, 근골격계 질환, 관절 수술 후 회복 중인 환자들이 부상 위험 없이 운동을 할 수 있다.
3.2.2.1.2. 물의 저항과 심폐 기능 향상
물은 공기보다 밀도가 높고, 운동하는 물체에 더 많은 저항을 제공한다.이 저항은 근육을 강화하고, 심폐 기능을 향상시키는 데 도움을 준다.
물속에서 움직일 때 근육에 균일하게 저항을 가함으로써, 근력 훈련 효과를 높이고 체력을 개선하는 데 효과적이다.
물속에서 빠르게 움직일수록 저항이 증가하므로 환자는 운동 강도를 조절할 수 있다.
수중 운동은 심장과 폐의 기능을 강화하는 데 도움을 준다.
물속에서의 운동은 심박수를 증가시키고, 호흡의 효율성을 향상시키며, 혈액 순환을 개선하는 효과가 있다.
이로 인해 심혈관 건강을 증진시키고, 체력 회복에 도움을 준다.
3.2.2.1.3. 온도 효과
수영 재활 시스템에서는 물의 온도를 조절할 수 있어, 온수는 근육과 관절의 이완을 돕고, 차가운 물은 염증을 줄이는 데 도움을 준다.온수 환경은 근육 경직을 완화시키고 혈액 순환을 촉진하여 회복을 돕는다.
반면, 차가운 물은 염증 감소 및 통증 완화에 효과적이다.
3.2.2.1.4. 균형과 협응력 훈련
물속에서는 불안정한 환경에서 운동이 이루어지기 때문에, 신체의 균형과 협응력을 향상시키는 데 효과적이다.수중에서 일어나는 불균형은 자세 조절과 근육 활성화를 돕고, 환자가 정상적인 운동 패턴을 재습득할 수 있도록 한다.
3.2.3. 로보틱 보행 훈련 시스템 (예: 워크봇G(Walkbot_G))
보행 훈련에 특화된 로봇으로, 하반신 마비나 뇌졸중 환자가 정상적인 보행 패턴을 학습할 수 있도록 돕는다.
환자는 로봇이 제공하는 보행 보조를 받으며, 기계적으로 훈련을 통해 보행 기능을 회복할 수 있다.
3.2.3.1. 과학적 원리
3.2.3.1.1. 생체역학(Biomechanics)
인체의 보행 메커니즘을 정확하게 모델링하여, 환자가 자연스러운 보행 패턴을 학습할 수 있도록 돕는다.생체역학적 원리에 따라, 로봇은 하반신의 움직임을 지원하며, 다리의 지지와 추진을 적절하게 보조하여, 환자가 걷는 동작을 흉내 낼 수 있게 한다.
3.2.3.1.2. 생체 신호와 인터페이스(Biological Signal Interface)
환자의 근육과 신경 신호를 감지하고 해석할 수 있는 기술을 갖추고 있다.이를 통해 로봇은 환자의 근육 활동과 보행 의도를 파악하여, 환자가 걸을 때 필요한 힘을 제공하는 방식으로 작동한다.
이를 통해 보행에 필요한 신경-근육 상호작용을 시뮬레이션하고, 재활 치료에 도움을 준다.
3.2.3.1.3. 인공지능(AI) 및 기계 학습(Machine Learning)
환자의 개별적인 보행 패턴을 학습하고, 점차적으로 그에 맞춘 맞춤형 치료를 제공하는 데 인공지능(AI)을 활용할 수 있다.AI는 환자의 운동 능력과 반응에 기반해 로봇의 운동 패턴을 조정하고, 최적의 훈련을 제공한다.
3.3. 진단 로봇
특정 질병을 감지하고 진단하는 데 도움을 주는 로봇으로, 혈액 분석이나 이미징 검사 등의 진단 절차를 자동화하여 시간을 단축하고 정확성을 높인다.
3.3.1. PillCam
PillCam은 작은 크기의 캡슐형 내시경 로봇으로 환자가 이를 삼키면 위장, 소장, 대장 등의 소화기관의 내부를 자동으로 촬영한다. 주로 소화기 질환, 출혈, 염증성 장질환, 장의 종양 등을 진단하는데 사용된다.일반적인 내시경 검사와 달리, 환자가 수술적 절차 없이 캡슐을 삼키는 방식으로 진행되어 통증이나 불편함이 거의 없고 시술 후 회복이 빠르다. 또한 내시경으로 접근이 어려운 부위의 검사에 유용하다는 장점이 있다.
3.3.1.1. 주요 기술
- CMOS 이미지 센서
상보형 금속산화 반도체[17]를 일컫는 말로 피사체의 정보를 읽어 전기적인 영상신호로 변환해 주는 장치이다. - RF 통신
전자기파를 이용하여 데이터를 전송하며, 캡슐 내의 카메라가 촬영한 영상을 고주파 신호로 변환하여 실시간으로 외부 수신 장치로 전송하면 외부 수신기가 고주파 신호를 수신하여 실시간으로 영상을 수집하고 저장한다. RF 통신은 저전력 방식으로 설계되어 있어 배터리 수명이 길어, 캡슐이 소화관을 통과하는 동안 여상을 지속적으로 전송할 수 있다. - 고해상도 카메라
자연스러운 조직 색상과 조명 균형으로 선명한 이미지를 제공하며 156도의 넓은 시야각 렌즈를 통해 소화기관 내의 사각지대를 최소화하고 캡슐이 빠르게 이동할 때 초당 6프레임, 느리게 이동할 때 초당 2프레임으로 자동 조정되어 조직을 더 포괄적으로 촬영한다. - 미세전자기계시스템(MEMS)
마이크로 단위의 기계적 구조물과 전자 회로가 결합된 초소형 정밀 기계 제작 기술을 의미한다. 캡슐 형태의 소형 로봇을 제작하는데 사용된다. - 자기장 기반 위치 추적
환자의 소화관을 지나가는 동안 위치를 추적할 수 있는 기술이다. 캡슐에서 발생하는 자기장을 통해 캡슐의 정확한 위치를 확인하여 영상 분석을 더 정밀하게 할 수 있다.
3.3.2. MONARCH platform
MONARCH platform은 ETHICON의 로봇 보조 플랫폼으로, 폐암과 같은 중증 질환의 진단 및 치료에 사용된다. 기존 내시경 기술의 한계를 극복하기 위해 로봇공학,데이터과학,소프트웨어를 결합한 복합 기술 플랫폼이다.
이 시스템은 접근하기 어려운 폐 말초부위의 작은 결절을 정밀히 확인할 수 있도록 지원하여 폐암과 같은 초기 증상이 미미하거나 불명확한 질환에서 조기 발견을 가능하게 한다.
3.3.2.1. 주요 기술
- 3D 모델 기반 내비게이션
환자 개인의 폐 구조를 기반으로 한 모델을 생성하여, 의료진이 기관지의 복잡한 경로를 실시간으로 탐색할 수 있게 한다. - 통합 영상 기술
실시간 내시경 영상과 컴퓨터 기반의 정밀 내비게이션 시스템을 결합하여 병변의 위치를 정확히 파악할 수 있다. - 정밀 로봇 제어
크기가 작은 폐결절[18]도 탐지하고 표적화 할 수 있는 정밀한 로봇 제어를 제공한다.
3.4. 돌봄 로봇
환자의 일상적인 케어를 보조하는 로봇으로, 노인 환자나 만성 질환 환자들에게 투약 관리, 이동 지원, 심리적 지원 등의 역할을 수행한다.
3.4.1. 돌봄 로봇 예시
3.4.1.1. 로베어
로베어가 맡은 역할은 침대 생활이 잦은 환자를 휠체어 등 다른 곳으로 옮기는 일이다.
팔을 들어 올리는 등의 재활 운동도 도울 수 있다.
감당할 수 있는 환자의 몸무게는 80kg이다.
다리 부분에는 바퀴를 달아서 쉽게 이동할 수 있게 했다.
주재료는 플라스틱이지만 팔에는 특수 고무를 둘렀다.
환자를 침대에서 휠체어로 옮길 때 환자의 거부감을 줄이기 위해서다.
3.4.1.2. 호응
독거 노인의 말벗이 돼 주고, 응급 상황을 알리는 보호자 역할도 수행한다.
생활 패턴 분석을 통해서 모든 데이터를 집약해서 개인별 맞춤형 건강 관리 서비스를 제공한다.
또한 치매 개선 운동을 도와준다.
3.4.1.3. Care-O-bot
독일에서 개발된 돌봄 로봇으로, 고령자의 일상 생활을 도와 식사 준비, 약 복용 알림, 청소등의 업무를 수행한다.
거동이 불편한 노인들을 위해서 여러 가지 사물을 갖다 주기도 하고, 노인들의 상태를 실시간으로 모니터링 하기도 한다.
특히 떨어져서 사는 가족들이 부모님의 상태를 쉽게 보고 안심할 수 있도록 기능을 할 수 있다.
또 무료한 시간을 달래기 위해서 일종의 레크레이션 기능도 같이 포함하고 있다.
이는 사용자의 만족도가 높아지고, 요양 직원의 부담이 줄어드는 결과를 가져왔다.
3.4.1.4. 아바타 로봇
원격 조작을 통해 움직이는 아바타형 로봇이다.
일본에서는 초고령화 사회로 접어든 이후 간병 인력 부족 현상이 발생하고 있다.
이런 상황에서 간호 아바타 로봇이 양로원에서 사용되고 있다.
엘리베이터 버튼 조작 등을 대신해주고 목적지로 원활이 이동이 가능하도록 유도해준다.
또 안전사고가 발생시 이를 신속하게 알리는 역할을 수행한다.
또한 양로원의 어르신들과 소통을 한다.
간병 아바타 로봇의 조종은 스탭이 맡는다.
따라서 이 스탭들은 로봇들이 하는 딱딱한 형식의 정해진 멘트가 아닌 말 그대로 사람이 낼 수 있는 목소리로 따뜻한 말을 건네면서 어르신들을 케어를 해준다.
3.5. 미세 로봇
혈관이나 신체 내부에서 움직이며 약물 전달 또는 특정 세포나 조직을 타겟팅하는 작은 로봇이다.
이 기술은 암 치료나 혈관 내 치료에서 연구되고 있다.
3.5.1. 미세 로봇 예시
3.5.1.1. 클러치 나노로봇
국내 연구진이 세계 최초로 나노로봇에 엔진을 구동하는 장치를 달았다.
체내에서 정밀한 자율주행이 가능한 나노로봇이다.클러치는 기계의 엔진을 구동하는 핵심 요소다.
엔진의 동력을 로터로 전달 혹은 차단한다.
클러치를 사용하면 필요에 따라 선택적으로 기계를 구동할 수 있어 에너지 효율도 향상된다. 나노로봇에 클러치 장치를 탑재했다.
나노로봇은 다공성 구형 로터 안에 자성 엔진이 있다.
로터와 엔진은 각각 DNA[19]로 코팅됐다.
로터 표면의 구멍을 통해 환경인자[20]가 내부로 유입되어 특정 유전자 신호를 감지하면 로터와 엔진에 코팅된 DNA 가닥이 서로 결합해 엔진의 힘을 로터로 전달하는 ‘클러치’[21] 역할을 한다.
DNA 클러치가 작동하면 엔진에서 발생하는 힘이 로터로 전달돼 나노로봇이 헬리콥터의 프로펠러처럼 회전한다.
자성을 가진 엔진을 사용했기 때문에 인체 외부에서 자력을 이용해 무선으로 로봇 제어가 가능하다.
자기장의 방향에 따라 회전력의 발생 방향을 자유자재로 바꿀 수도 있다.이렇게 구동하는 나노로봇은 세포와 결합해 생체 신호를 기계적으로 조절할 수 있다.
질병 인자에 해당하는 특정 마이크로 RNA[22] 유전자가 존재하는 경우 클러치 나노로봇이 이를 감지하고 스스로 작동해 세포의 유전자 활성화를 유도한다.[23]DNA 클러치는 20개의 염기서열로 이루어져 있어 무한대에 가까운 질병 인자를 감지하도록 프로그래밍할 수 있다.
무수히 많은 정보를 코딩해 기억 및 연산 기능을 가지는 ‘나노로봇의 지능화’가 가능하다.
3.5.2. 미세로봇 기술
3.5.2.1. 자기장 시스템 연구
강한 외부자기장을 형성시켜 다양한 생의학 로봇들을 구동시키기 위한 연구를 진행중이다.특히, 자기적 성질이 약한 마이크로/나노 구조체를 효율적으로 구동하기 위해 강한 자기장의 형성이 중요한데, 이를 위해 다양한 형태의 전자기식 엑추에이터(EMA[24]) 시스템[25]을 연구한다.
3.5.2.2. 약물 전달 방식 연구
기존의 약물 주입식 암세포 치료의 부정확한 타겟팅 문제를 보완하고자 외부자기장을 통해 병변 부위로 정밀 타겟팅이 가능하여 주변 정상세포에 미치는 부작용을 최소화할 수 있는 약물전달 마이크로/나노 로봇에 대한 연구 중이다.또한, 정상세포에 독성을 일으킬 수 있는 마이크로 로봇/나노로봇 내부의 자성 나노 입자 회수에 대한 연구도 병행하여 진행중이다.
3.5.2.3. 미세로봇 재질 연구
외부 자기장 구동을 통해 복잡한 혈관을 따라서 움직일 수 있는 Soft Continuum Robot[26]을 연구한다.특히, 외부자기장에 의해 이동하고자 하는 경로의 형태에 맞게 형상이 변하도록 Soft Continuum Robot를 국부적으로 자화[27]시켜 활용하는 방법에 대해 연구를 진행중이다.
4. 장단점
의료 로봇은 현대 의학에서 혁신적인 기술로 자리 잡고 있으며, 수술 및 치료 과정의 효율성과 안전성을 크게 향상시키고 있다.이러한 로봇의 도입은 의료 환경을 변화시키고 있지만, 그 장단점에 대한 충분한 이해가 필요하다.
다음은 의료 로봇의 주요 장점과 단점을 정리한 것이다.
4.1. 장점
정밀도: 로봇은 높은 정밀도로 수술 및 치료를 수행하여 수술의 안전성과 효과를 높인다.일관성: 반복적인 작업에서 일관된 결과를 제공하여 오류를 줄인다.
환자 회복: 최소 침습 수술을 통해 회복 시간이 단축되고, 감염 위험이 적다.
의료 접근성: 원거리에서 수술할 수 있는 원격 수술 기술이 발전하고 있다.
의사 보조: 복잡한 절차를 지원하여 의사의 부담을 줄이고, 더 많은 환자를 치료할 수 있게 한다.
4.2. 단점
비용: 초기 설치 및 유지 비용이 높아 병원 운영에 부담이 될 수 있다.기술 의존: 기술적 문제나 오류 발생 시 큰 위험이 따를 수 있다.
훈련 필요: 의료진이 로봇을 효과적으로 사용하기 위해서는 추가적인 교육이 필요하다.
환자 경험: 로봇 수술은 비인간적인 느낌을 줄 수 있어 환자에 따라 불안감을 초래할 수 있다.
제한된 적용: 모든 환자나 상황에 적합하지 않을 수 있으며, 특정 분야에 제한될 수 있다.
5. 앞으로의 전망
의료로봇에 대한 국가, 기업 차원의 지원 사업들이 많아지는 추세이기에 의료 로봇의 앞으로의 전망은 매우 밝다고 볼 수 있다.이에 대한 예시로, 2024년 한국로봇산업진흥원의 국비 총 30억원 규모의 "간병비 부담 경감을 위한 간병로봇 지원사업" , 현대차그룹이 국군 의무사령부와 부상군인 재활지원 협약을 체결 및 보행재활로봇 "엑스블 멕스"를 국군 수도병원에 제공하는 등의 사업이 있다.
기술의 발전과 함께 로봇의 정밀도와 효율성이 더욱 향상되어 합리적인 가격의 의료 로봇 서비스를 받을 수 있을 것이다.
이러한 전망은 의료 로봇이 미래의 의료 환경에서 핵심적인 역할을 할 것임을 시사한다.
[1] 첫 째,로봇은 인간에게 해를 입혀서는 안 되며, 인간이 해를 입도록 방관해서도 안 된다. 둘 째,로봇은 인간의 명령에 복종해야 한다. 단, 그러한 명령이 제1원칙에 위배되지 않는 경우에 한한다. 셋 째,로봇은 자신의 존재를 보호해야 한다. 단, 이러한 보호가 제1원칙 또는 제2원칙에 위배되지 않는 경우에 한한다.[2] HelpMate Robotics에서 개발하여 약품, 샘플등을 운반하는 병원용 이동로봇[3] 세계 최초의 로봇회사인 유니메이션에서 개발한 산업용 로봇으로, 제조업에서 조립 및 용접 목적으로 사용되었으나 1985년에 CT영상을 활용한 첫 로봇 기반 뇌 생검을 성공적으로 수행하였다.[4] 캘리포니아주 멘로파크에 본사를 둔 미국의 비영리 과학연구소 및 기관이다.[5] 원거리를 뜻하는 '텔레(tele)와 참석을 뜻하는 '프레즌스(presence)'의 합성어로 멀리 떨어져 있는 사람을 원격으로 불러와 마치 같은 공간에 있는 것처럼 보이게 하는 기술이다.[6] 금속 따위를 자르거나 깎는 것을 의미한다.[7] 대퇴골의 하단과 경골의 상단 및 슬로골의 후면, 세부분의 뼈 사이에 있는 관절을 말한다.[8] 골반의 코모양으로 생긴 비구부분과 대퇴골의 둥그런 머리부분이 만나 형성되는 우리몸에서 가장 큰 관절[9] Bone Motion Monitor[10] 수술 시 절개부위를 줄여 인체에 상처를 최소한으로 남기는 수술 방법이다.[11] 개인이 외부의 지도 없이 스스로 자신의 능력이나 기술을 향상시키기 위해 수행하는 훈련 또는 학습 과정입니다.[12] 뇌의 신호를 직접적으로 해석하고 이를 컴퓨터나 외부 장치와 연결하여 제어하는 기술이다.[13] 전기 또는 화학적 신호를 사용하여 신경계를 자극하거나 조절하는 기술이다. 이 기술은 주로 뇌, 척수, 말초 신경 등을 목표로 하여 신경 기능을 개선하거나 회복시키는 데 사용된다.[14] 뇌의 신경 회로가 경험, 학습, 손상 또는 환경 변화에 따라 구조적 및 기능적으로 변화하는 능력을 의미한다. 이 과정은 신경 세포(뉴런)가 새로운 연결을 형성하거나 기존의 연결을 강화/약화시키는 것을 포함하며, 뇌가 환경적 요구에 적응할 수 있도록 돕는다. 신경가소성은 뇌의 회복력과 적응성을 나타내며, 특히 학습, 기억 및 재활 과정에서 중요한 역할을 한다.[15] 인지적 과제나 두뇌 게임을 통해 뇌의 신경 회로를 자극하고 신경가소성을 촉진하여 인지 능력을 개선하는 데 도움을 준다.[16] 뇌와 신경계의 기능을 개선하거나 회복하기 위해 특정 운동이나 자극을 반복적으로 수행하는 훈련이다.[17] 배터리에 의하여 동작되는 기억 장치로써 컴퓨터 시스템의 구성 정보를 보관하는 기억 장소의 재료로 사용되고 있다[18] 폐 내부에 생긴 지름 3cm 이하의 작은 구상 병변[19] Deoxyribonucleic Acid, 생물의 유전 정보를 저장하고 전달하는 물질이다. 모든 살아있는 유기체의 세포 내에 존재하며, 유전자의 구조를 형성하여 생명체의 특징을 결정짓는 중요한 역할을 한다.[20] 환경인자는 생물의 생존, 성장, 번식에 영향을 미치는 외부 조건이나 요소를 말한다.[21] 이 기능은 로봇의 일부분이 특정 순간에 움직이거나 고정되도록 할 수 있는 기술로, 나노로봇이 미세한 환경에서 작업을 수행할 때 중요한 역할을 한다.[22] 리보핵산, Ribonucleic Acid, 단백질 합성에 필요한 정보를 전달하고 조절한다.[23] 암세포 유전자, 바이러스등[24] Electro Magnetic Actuator[25] 최근 데이터에 더 높은 가중치를 두어 평균을 계산하는 방식이다. 과거 데이터보다 최신 데이터가 더 중요하다는 가정 하에 계산된다.[26] 고정된 관절이나 부품 대신 부드럽고 연속적인 구조로 움직이는 로봇이다. 유연하고 변형 가능한 재료로 만들어져, 복잡한 환경에서의 작업이나 좁은 공간에서의 작업을 수행하는 데 유리하다.[27] 자기장 안의 물체가 자기를 띠는 현상.