인공 근육은 여러 방향으로 구부러져 부드럽고 꿈틀거리는 로봇을 만드는 길을 제공한다

우리는 많은 골격근 섬유의 협응 덕분에 움직이며, 모두 동기화되어 경련하고 당깁니다. 어떤 근육은 한 방향으로 정렬되는 반면, 다른 근육은 복잡한 패턴을 형성하여 신체의 일부가 여러 가지 방식으로 움직이는 데 도움이 됩니다.

최근 몇 년 동안 과학자와 엔지니어는 근육을 "바이오 하이브리드" 로봇의 잠재적인 액추에이터로 살펴보았습니다. 이 로봇은 부드럽고 인공적으로 성장한 근육 섬유로 구동되는 기계입니다. 이러한 바이오 로봇은 기존 기계가 움직일 수 없는 공간을 꿈틀거리며 움직일 수 있습니다. 그러나 대부분의 경우 연구자들은 한 방향으로만 당기는 인공 근육만 제작할 수 있었고, 이는 로봇의 동작 범위를 제한했습니다.

이제 MIT 엔지니어들은 여러 조정된 방향으로 경련하고 구부러지는 인공 근육 조직을 성장시키는 방법을 개발했습니다. 시범으로, 그들은 인간의 눈의 홍채가 동공을 확장하고 수축시키는 방식과 매우 유사하게 동심원적으로 그리고 방사적으로 당기는 인공 근육 구동 구조를 성장시켰습니다.

연구자들은 자신들이 개발한 새로운 "스탬핑" 접근법을 사용하여 인공 홍채를 제작했습니다. 먼저, 그들은 각각 단일 세포만큼 작은 미세한 홈으로 패턴화된 작고 손에 잡힐 수 있는 스탬프를 3D로 인쇄했습니다. 그런 다음, 그들은 스탬프를 부드러운 하이드로젤에 눌러서 그 결과 생긴 홈에 실제 근육 세포를 심었습니다. 세포는 하이드로젤 내에서 이 홈을 따라 자라 섬유를 형성했습니다. 연구자들이 섬유를 자극했을 때, 근육은 섬유의 방향을 따라 여러 방향으로 수축했습니다.

"홍채 설계를 통해 우리는 여러 방향으로 힘을 생성하는 최초의 골격근 구동 로봇을 시연했다고 믿습니다. 이는 이 스탬프 접근 방식을 통해 독특하게 가능해졌습니다." MIT 기계 공학과의 조직 공학 Eugene Bell 경력 개발 교수인 리투 라만은 이렇게 말합니다.

이 팀은 이 스탬프를 테이블탑 3D 프린터를 사용하여 인쇄하고 미세한 홈의 다양한 패턴을 장착할 수 있다고 말합니다. 이 스탬프는 근육의 복잡한 패턴을 성장시키는 데 사용될 수 있으며, 잠재적으로 신경 세포와 심장 세포와 같은 다른 유형의 생물학적 조직도 성장시킬 수 있으며, 이는 자연스러운 대응물처럼 보이고 작용합니다.

"우리는 실제 조직의 구조적 복잡성을 재현하는 조직을 만들고 싶습니다." 라만은 말한다. "그렇게 하려면 제작에 이런 종류의 정밀성이 정말 필요합니다."

그녀와 그녀의 동료들은 저널 Biomaterials Science에 오픈 액세스 결과를 발표했습니다 . 그녀의 MIT 공동 저자로는 첫 번째 저자인 Tamara Rossy, Laura Schwendeman, Sonika Kohli, Maheera Bawa, Pavankumar Umashankar와 이스라엘 텔아비브 대학교의 Roi Habba, Oren Tchaicheeyan, Ayelet Lesman이 있습니다.

훈련 공간

MIT의 라만 연구실은 신체의 실제 조직의 감지, 활동 및 반응성을 모방하는 생물학적 재료를 설계하는 것을 목표로 합니다. 광범위하게 그녀의 그룹은 이러한 생체공학 재료를 의학에서 기계에 이르는 분야에 적용하고자 합니다. 예를 들어, 그녀는 신경근 손상이 있는 사람들의 기능을 회복할 수 있는 인공 조직을 제작하고자 합니다. 그녀는 또한 물고기와 같은 유연성으로 물 속을 움직이는 근육 구동 수영 선수와 같은 소프트 로봇 공학에 사용할 인공 근육을 연구하고 있습니다.

라만은 이전에 실험실에서 키운 근육 세포를 위한 헬스장 플랫폼과 운동 루틴으로 볼 수 있는 것을 개발했습니다. 그녀와 그녀의 동료들은 근육 세포가 벗겨지지 않고 자라서 섬유로 융합되도록 하는 하이드로겔 "매트"를 디자인했습니다. 그녀는 또한 빛의 펄스에 반응하여 경련하도록 유전자 조작하여 세포를 "운동"하는 방법을 도출했습니다. 그리고 그녀의 그룹은 근육 세포가 자연스러운 횡문근과 유사하게 길고 평행한 선으로 성장하도록 하는 방법을 생각해냈습니다. 그러나 그녀의 그룹과 다른 그룹에게는 여러 가지 예측 가능한 방향으로 움직이는 인공 근육 조직을 설계하는 것이 과제였습니다.

"자연 근육 조직의 멋진 점 중 하나는 한 방향으로만 가리키지 않는다는 것입니다. 예를 들어, 우리 홍채와 기관 주변의 원형 근육을 살펴보세요. 그리고 심지어 우리 팔과 다리 안에서도 근육 세포는 똑바로 가리키지 않고 각도를 이루고 있습니다." 라만은 말합니다. "자연 근육은 조직에서 여러 방향을 가지고 있지만, 우리는 그것을 우리의 인공 근육에서 복제할 수 없었습니다."

근육 청사진

다방향 근육 조직을 성장시키는 방법을 생각하던 중, 팀은 놀랍게도 간단한 아이디어를 떠올렸습니다. 스탬프입니다. 고전적인 젤로 틀에서 영감을 얻은 팀은 이전에 그룹이 개발한 근육 훈련 매트와 유사하게 하이드로젤에 각인할 수 있는 미세한 패턴이 있는 스탬프를 디자인하고자 했습니다. 각인된 매트의 패턴은 근육 세포가 따라가고 성장할 수 있는 로드맵 역할을 할 수 있습니다.

"아이디어는 간단합니다. 하지만 단일 세포만큼 작은 특징을 가진 스탬프를 어떻게 만들까요? 그리고 매우 부드러운 것을 어떻게 스탬프할까요? 이 젤은 Jell-O보다 훨씬 부드럽고, 정말 쉽게 찢어질 수 있기 때문에 주조하기 정말 어려운 것입니다."라고 Raman은 말합니다.

연구팀은 스탬프 디자인에 여러 가지 변형을 시도했고, 결국 놀라울 정도로 잘 작동하는 접근 방식을 찾아냈습니다. 연구원들은 MIT.nano의 고정밀 인쇄 시설을 사용하여 작고 손에 잡힐 수 있는 스탬프를 제작했고, 이를 통해 각각 단일 근육 세포만큼 넓은 홈의 복잡한 패턴을 스탬프 바닥에 인쇄할 수 있었습니다. 스탬프를 하이드로겔 매트에 누르기 전에, 스탬프가 젤에 고르게 각인되고 달라붙거나 찢어지지 않고 벗겨지는 데 도움이 되는 단백질로 바닥을 코팅했습니다.

시범으로, 연구자들은 인간의 홍채에 있는 미세한 근육과 유사한 패턴의 스탬프를 인쇄했습니다. 홍채는 동공을 둘러싼 근육 고리로 구성되어 있습니다. 이 근육 고리는 원형 패턴을 따라 동심원으로 배열된 근육 섬유의 내부 원과 태양 광선처럼 방사형으로 뻗어 있는 섬유의 외부 원으로 구성되어 있습니다. 이 복잡한 구조는 함께 동공을 수축하거나 확장하는 역할을 합니다.

라만과 그녀의 동료들이 홍채 패턴을 하이드로젤 매트에 눌러 넣은 후, 그들은 유전적으로 조작하여 빛에 반응하도록 만든 세포로 매트를 코팅했습니다. 하루 만에 세포가 미세한 홈에 떨어져 섬유로 융합되기 시작하여 홍채와 같은 패턴을 따라가고 결국 실제 홍채와 비슷한 구조와 크기를 가진 전체 근육으로 성장했습니다.

팀이 인공 홍채를 빛의 펄스로 자극했을 때, 근육은 인간 눈의 홍채와 비슷하게 여러 방향으로 수축했습니다. 라만은 팀의 인공 홍채가 자발적 운동에 관여하는 골격근 세포로 제작되었지만, 실제 인간 홍채의 근육 조직은 비자발적 근육 조직의 일종인 평활근 세포로 구성되어 있다고 언급했습니다. 그들은 복잡하고 다방향적인 근육 조직을 제작하는 능력을 보여주기 위해 골격근 세포를 홍채와 유사한 패턴으로 패턴화하기로 했습니다.

"이 연구에서 우리는 이 스탬프 접근 방식을 사용하여 이전의 근육 구동 로봇이 할 수 없었던 일을 할 수 있는 '로봇'을 만들 수 있다는 것을 보여주고 싶었습니다." 라만은 말합니다. "우리는 골격근 세포로 작업하기로 했습니다. 하지만 다른 세포 유형으로 이 작업을 하는 것을 막을 수 있는 것은 없습니다."

그녀는 팀이 정밀 인쇄 기술을 사용했지만 스탬프 디자인은 기존의 테이블탑 3D 프린터를 사용하여 만들 수도 있다고 언급했습니다. 앞으로 그녀와 그녀의 동료들은 스탬핑 방법을 다른 세포 유형에 적용하고, 다양한 근육 구조와 인공적이고 다방향적인 근육을 활성화하여 유용한 작업을 수행하는 방법을 탐구할 계획입니다.

"수중 로봇에서 일반적으로 사용되는 단단한 액추에이터를 사용하는 대신, 부드러운 생물학적 로봇을 사용할 수 있다면, 우리는 항해를 할 수 있고 훨씬 더 에너지 효율적일 수 있으며, 완전히 생분해성이고 지속 가능합니다."라고 라만은 말합니다. "그것이 우리가 구축하고자 하는 목표입니다."

이 연구는 미국 해군 연구소, 미국 육군 연구소, 미국 국립 과학 재단, 미국 국립 보건원의 지원을 받아 수행되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/03/250317163528.htm