의료로봇 최신 연구: 심장 3D 프린팅과 돌봄 로봇, 스탠퍼드 앨리슨 오카무라 교수 강연 정리

핵심 메시지

• 수술 로봇의 올바른 형태는 사람 모양이 아니라 몸속 깊숙이 들어가 조작할 수 있는 가늘고 휘어지는 구조라는 것이 연구의 출발점이다.
• 여섯 개의 동심관 로봇이 젤 욕조 속으로 여러 방향에서 동시에 재료를 짜내는 방식으로, 세포가 죽기 전 한 시간 안에 심장을 인쇄하는 것이 목표다.
• 손가락 끝의 피부 늘어남이 물체의 무게와 움직임 정보를 대부분 전달한다는 점에 착안해, 뜨개질과 3D 프린팅으로 만든 착용형 촉각 장치를 개발했다.
• 간병 현장에서 가장 위험한 동작인 '환자를 굴려 시트를 넣는 일'을 덩굴 로봇이 미끄러지듯 몸 밑으로 파고들어 대체하는 연구가 진행 중이다.
• 오카무라 교수는 생성형 AI가 설계를 도우려면 물리 모델 통합과 손으로 만져보는 인터페이스, 두 가지가 반드시 채워져야 한다고 지적했다.

쉽게 이해하기

UC버클리 EMBER 임베디드 로보틱스 세미나에 스탠퍼드대 기계공학과 앨리슨 오카무라 교수가 연사로 나섰다. 그는 로봇 손 연구로 박사 과정을 시작했다가 존스홉킨스대에서 11년간 의료 로봇을 다뤘고, 현재 스탠퍼드에서 '의료를 위한 협동 햅틱·로보틱스'를 뜻하는 CHARM 랩을 이끌고 있다. 이날 강연은 수술실 로봇에서 시작해 장기 인쇄, 촉각 인터페이스, 가정 돌봄 로봇까지 의료 로봇의 스펙트럼 전반을 훑었다.

그는 로봇의 '올바른 형태'를 묻는 것으로 강연을 열었다. 수술실에서 인간형 로봇은 좋은 선택이 아닌데, 몸속 깊이 들어가 조작해야 하는 기구의 장점을 전혀 살리지 못하기 때문이다. 대신 그의 연구실은 길고 가늘며 휘어지는 형태에 집중해 왔다. 존스홉킨스 시절 켄 골드버그 연구팀과 함께 만든 조향 가능한 바늘, 그리고 관 속에 관이 들어가는 동심관 로봇이 대표적이다. 그는 이런 로봇으로 환자와 시술에 맞춘 기구를 가상 환경에서 함께 설계한 뒤 3D 프린팅해 조립하는 방식도 소개했다.

강연의 중심은 미국 정부 연구기관 ARPA-H가 지원하는 5년짜리 심장 인쇄 프로젝트였다. 핵심 난관은 속도다. 수백만 개의 세포를 죽기 전에, 대략 한 시간 안에 모두 짜내 붙여야 한다. 젤 형태 물질 속에 재료를 넣어 공중에 뜬 것처럼 굳히는 '임베디드 3D 프린팅' 기법을 쓰더라도 기존 장비로는 시간이 모자란다. 그래서 복강경 수술처럼 여러 구멍으로 동시에 들어가는 동심관 프린트 헤드 여섯 대를 투입한다. 경로 계획 연구 결과 여섯에서 열 개 정도가 최적이었는데, 기구끼리 또 이미 인쇄된 재료와 부딪히면 안 되기 때문이다.

후반부는 고령화 사회의 돌봄으로 옮겨간다. 오카무라 교수는 미국이 이미 인구 대체 출생률 아래로 내려갔고 일본은 훨씬 앞서 이 문제를 겪고 있다고 짚으며, 병원 밖 가정에서의 지원이 절실하다고 말했다. MIT 하리 아사다 연구팀과 함께한 환자 이송 연구가 그 예다. 간호 인력이 꼽는 가장 위험한 순간은 환자를 좌우로 굴려 시트를 밀어 넣는 동작인데, 공기압으로 끝부분이 자라나 마찰 없이 전진하는 덩굴 로봇을 납작하게 만들어 몸 아래로 밀어 넣는 방식으로 이를 대체하려 한다.

마지막으로 그는 AI에 대한 솔직한 요청을 남겼다. 스스로를 'AI 연구자가 아니다'라고 밝히면서도, 설계를 돕는 도구가 절실하다고 했다. 다만 지금의 이른바 바이브 코딩 방식이 공학 설계로 넘어오려면 두 가지가 빠져 있다고 지적했다. 하나는 물리다. 무조코나 아이작 심 같은 로보틱스 표준 시뮬레이터조차 그가 다루는 복잡한 연속체 로봇의 역학을 제대로 모델링하지 못한다. 다른 하나는 인간 인터페이스로, 실제 장치를 손으로 만지며 얻는 감각이 좋은 설계의 원천이었다는 것이다.

주요 인사이트

• 심장을 첫 목표로 삼은 이유는 환자 수가 가장 많아서가 아니다. 신장 이식 대기자가 훨씬 많지만, 심장은 필요한 세포 종류가 열 가지 정도로 가장 적어 인쇄 난도가 낮기 때문이다.
• 프로젝트에서 가장 어려운 부분은 로봇이 아니라 세포 공급이다. 수백만 개의 세포를 빠르게 만들되 암세포가 될 만큼 빠르지는 않게 분화시키는 생물학적 과제가 병렬로 진행되고 있다.
• 인쇄한 장기를 살리려면 내부에 혈관 구조가 있어야 한다. 관에서 관이 나오는 계층 구조로 녹여 없앨 수 있는 희생 재료를 인쇄한 뒤 낮은 온도에서 제거해 통로를 만드는 방식이 시도되고 있다.
• 손끝 감각을 마취한 1970~80년대 실험 영상은 시각과 근력이 멀쩡해도 촉각이 없으면 성냥 하나 켜기가 어려워진다는 사실을 보여준다. 인간형 로봇의 손재주가 부족한 이유를 설명하는 단서이기도 하다.
• 덩굴 로봇은 공기압으로 끝에서 자라나며 겉면이 뒤집혀 나오기 때문에 주변과 마찰이 생기지 않는다. 오카무라 교수의 학생들은 이 성질을 이용해 하수·화학·석유 배관 검사 스타트업을 만들었다.

자주 묻는 질문

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