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싱가포르 국립대학교(NUS) 연구팀이 실험실 배양 근육으로 구동되는 수영 로봇 'OstraBot'을 개발했다. 기존 대비 3배 빠른 분당 467mm의 속도를 기록했으며, 외부 개입 없는 자가 훈련 방식을 통해 근육 조직의 수축력과 응력을 극대화하는 데 성공했다.

NUS 연구팀, 골격근 기반 생체혼합 로봇 속도 한계 돌파

싱가포르 국립대학교(NUS) 기계공학과 탄유준(Tan Yu Jun) 조교수가 이끄는 연구팀은 최근 실험실에서 배양한 근육 조직으로 작동하는 수영 로봇 '오스트라봇(OstraBot)'을 공개했다. 해당 연구 결과는 지난 3월 18일 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 게재되었다. 오스트라봇은 분당 467mm의 유영 속도를 기록하며, 골격근 기반 생체혼합 로봇 중 세계에서 가장 빠른 속도를 달성했다. 이는 기존 방식으로 제작된 근육 로봇보다 3배 이상 향상된 수치로, 생체 하이브리드 로봇공학 분야의 고질적인 병목 현상이었던 '저속 및 저출력' 문제를 해결한 사례로 평가받는다.

근육 간 '팔씨름' 자가 훈련을 통한 출력 극대화

연구의 핵심은 근육 세포의 성숙 과정에서 발생하는 자발적 수축을 역이용한 '자가 훈련(Self-training)' 시스템에 있다. 연구팀은 링 형태의 근육 조직 두 개를 기계적으로 연결하는 독창적인 플랫폼을 설계했다. 한 조직이 수축하면 연결된 다른 조직이 신장되고, 다시 신장된 조직이 수축하며 반대편을 당기는 방식이다. 마치 두 팔이 팔씨름을 하듯 서로를 단련하는 이 과정은 외부 장비나 인간의 개입 없이 세포 성숙 첫 주 동안 자율적으로 진행된다.

데이터 분석 결과, 이 과정을 거친 근육은 최대 7.05밀리뉴턴(mN)의 힘과 제곱밀리미터당 8.51밀리뉴턴(mN/mm2)의 응력을 생성하는 것으로 나타났다. 이는 범용적으로 사용되는 C2C12 세포주를 활용한 연구 중 역대 최고 수준의 출력이다. 탄 교수는 이러한 수축 사이클이 근육 조직의 구조적 정렬을 돕고 기계적 성능을 획기적으로 높였다고 설명했다.

복어 모사 디자인과 전기 자극 기반 정밀 제어 구현

오스트라봇의 구조는 복어(Ostraciid)의 생물학적 메커니즘에서 착안했다. 몸통은 단단하게 유지하면서 유연한 꼬리를 진동시켜 추진력을 얻는 방식이다. 연구팀은 자가 훈련된 근육 링과 두 개의 유연한 꼬리를 결합한 후, 전기 자극 빈도를 최적화했다. 실험 결과 3Hz의 자극 주파수에서 가장 효율적인 추진력을 얻었으며, 전기장의 강도를 조절하여 이동 속도를 세밀하게 제어할 수 있음을 입증했다. 또한 소리 감지 시스템을 통합하여 외부의 손뼉 소리에 반응해 구동을 시작하거나 멈추는 지능형 상호작용 기능까지 구현했다.

생분해성 소재 전환 및 의료·환경 분야 활용 전망

연구팀은 현재 로봇의 모든 구조 재료를 생분해성 대체재로 교체하는 후속 공정을 진행 중이다. 이는 환경 오염 없는 '친환경 생체 기계' 구축을 목표로 한다. 오스트라봇과 같은 고성능 생체 하이브리드 로봇은 향후 산호초나 습지와 같은 민감한 생태계에 배치되어 환경 데이터를 수집하는 센서로 활용될 수 있다. 또한 의료 분야에서는 임무를 완수한 후 체내에서 안전하게 용해되는 임시 이식형 의료 기기나 약물 전달 시스템으로의 응용 가능성이 높다. 탄 교수는 지속 가능한 고성능 생체 하이브리드 시스템이 미래 로봇 산업의 표준이 될 것이라고 전망했다.