△ 신개념 의료기기 기술이 잇따라 개발되고 있다.

국내에서 차세대 의료기기 기술을 잇따라 개발해 상용화 기대감을 높이고 있다.

22일 의학계 등에 따르면 국내 연구진이 수술부위에 빛쬐어 5초만에 봉합 '경막봉합용 듀라 실란트', 손끝으로 가상현실 속 물체 힘·크기 느끼는 반지, 약물 부작용·급성 신장 손상 예측 미세유체시스템 등을 개발하는데 성공했다.

부산대학교 전기전자공학부 심현석 교수팀은 최근 인간의 망막처럼 빛을 감지함과 동시에 신호를 증폭하고 기억하는 '뉴로모픽 이미지 소자'를 개발했다.

연구팀은 실리콘 태양전지와 전해질 기반 시냅스 트랜지스터를 직렬로 연결한 캐스케이드 구조를 통해 인간 망막에서 나타나는 시냅스 촉진 특성을 높은 수준으로 구현했다.

연구팀에 따르면 일반적인 이미지 센서는 빛을 전기 신호로 변환하는 역할에 주로 머물며 인식·판단 등 고차 처리는 별도의 인공지능 프로세서가 담당한다.

이 과정에서 데이터 이동이 과도해져 병목 현상, 전력 소모 증가, 처리 지연이 발생하는 문제가 꾸준히 제기돼 왔다.

반면 인간의 망막은 빛을 감지하는 동시에 신경 신호를 '전처리'하는 고효율 구조를 갖는다.

연구팀은 태양전지가 빛을 전기 신호로 변환하고 해당 전기 신호가 시냅스 트랜지스터의 입력으로 다시 사용되는 2단 캐스케이드 시냅스 메커니즘을 제안했다.

한국을 비롯해 미국·중국·홍콩 등 글로벌 연구진이 참여한 이번 연구 성과는 향후 차세대 인공지능(AI) 카메라, 자율주행 및 로봇 비전, 인간-기계 인터페이스(HMI), 인공 시각 보조 기술 등 다양한 분야에서 저전력·고효율 뉴로모픽 비전 플랫폼으로 활용될 것으로 기대된다.

성균관대 김선국 교수팀은 최근 스위스 로잔공대(EPFL)와 공동으로 레이저 가공 기반 3축 힘 센서를 개발, 이 기술을 반지 형태의 초경량 웨어러블 햅틱 장치 '오리링'에 적용해 손가락 단위의 정밀한 촉각 피드백 구현에 성공했다.

웨어러블 햅틱 장치는 최근 피지컬인공지능(AI)과 결합해 가상 세계의 감각을 현실로 전달하거나 신체 기능을 보조하는 용도로 활용도가 점점 높아지는 기술이다.

기존의 햅틱 장치는 진동이나 열과 같은 피부 자극 방식에 의존해 실제 물체의 힘과 질감을 사실적으로 전달하기는 어려웠다.

관절 수준에서 힘을 직접 전달하는 햅틱 장치의 경우 구조적으로 무겁고 부피가 커 착용성이 떨어지는 문제가 있다.

연구팀은 문제를 해결하기 위해 사용자의 손동작으로 발생하는 다축 힘을 정밀하게 감지하는 3축 힘 센서를 개발했다.

하나의 유닛만으로도 수직 방향 힘과 수평 방향 힘을 동시에 측정할 수 있어 얇고 유연한 센서임에도 3축 힘 감지가 가능한 게 차별화된 핵심 기술이다.

해당 센서를 적용한 오리링은 구동부를 제외한 무게가 약 18g에 불과함에도 최대 6.5뉴턴(N)의 힘 피드백을 제공해 소형 웨어러블 장치로서는 매우 높은 힘 대비 무게 성능을 구현했다.

또 연구팀은 실제 오리링을 착용한 사용자의 손가락 움직임에 따라 가상 물체의 크기와 강성이 촉각 피드백으로 즉각 전달되는 것을 확인했다. 손가락 동작만으로 가상 물체의 물리적 특성을 실시간으로 변화시키는 등 새로운 상호작용 방식도 제시했다.

연구팀은 오리링은 액세서리 수준의 착용성을 유지하면서도 기존 장갑형 햅틱 기기보다 뛰어난 힘 대비 무게 성능을 달성했기에 가상현실과 게임은 물론 재활·의료, 원격 로봇 조작 등 다양한 분야로의 확장을 기대했다.

한국과학기술원(KAIST) 기계공학과 전성윤·심기동 교수팀은 최근 분당서울대학교병원 김세중 교수와 함께 약물로 인한 근육 손상이 신장 손상으로 이어지는 과정을 실험실에서 재현할 수 있는 바이오 미세유체시스템(Biomicrofluidic system)을 개발했다.

미세유체시스템은 아주 작은 칩 위에서 인체 장기 환경을 구현한 장치다. 

연구팀은 실제 인체 환경과 유사한 조건을 구현하기 위해 입체 근육 조직과 근위세뇨관 상피세포를 하나의 칩 위에서 연결하는 구조를 개발했다. 

상피세포는 신장에서 핵심 역할을 하는 세포다. 

연구팀은 필요에 따라 장기 조직을 연결하거나 다시 분리할 수 있는 방식의 모듈형 미세유체 칩으로 만들었다. 작은 칩 위에서 실제 사람의 장기처럼 세포와 조직을 배양하고 서로 영향을 주고받도록 설계됐다.

칩에서는 근육과 신장 조직을 각각 가장 적합한 조건에서 따로 배양한 뒤 실험이 필요한 시점에만 연결해 장기 간 상호작용을 유도할 수 있다. 

실험 후에는 근육과 신장 조직을 분리해 변화를 독립적으로 분석할 수 있으며 손상된 근육에서 나온 독성 물질이 신장에 미치는 영향을 수치로 확인할 수 있다.

연구팀은 개발한 칩을 활용해 실제 임상에서 근육 손상을 유발하는 것으로 알려진 고지혈증 치료제 '아토르바스타틴'과 중성지방 치료제 '페노피브레이트'를 실험에 적용했다. 

그 결과 칩 위 근육 조직에서는 수축력이 저하되고 구조가 손상되는 등 횡문근융해증의 전형적인 변화가 관찰됐다. 근육 손상 지표인 마이오글로빈과 효소 CK-MM 수치도 증가했다.

동시에 신장 조직에서는 정상적으로 살아 있는 세포 수가 감소하고 세포 사멸이 증가했으며 급성 신손상이 발생할 때 증가하는 지표인 'NGAL'과 'KIM-1'의 발현도 유의미하게 증가했다. 급성 신손상은 신장이 갑자기 제 기능을 하지 못하게 되는 상태다.

NGAL은 신장 세포가 손상될 때 빠르게 증가하는 단백질, KIM-1은 신장 세포, 특히 근위세뇨관이 손상될수록 많이 나타나는 단백질이다. 손상된 근육에서 나온 독성 물질이 신장 손상을 단계적으로 더욱 악화시키는 연쇄 과정도 확인됐다.

근육과 신장을 동시에 연결·분리할 수 있는 장기칩을 활용해 약물 유발 근육 손상이 신장 손상으로 이어지는 인체 장기 간 연쇄 반응을 실험실에서 처음으로 정밀하게 재현했다는 점에서 의미가 크다.

연구팀은 앞으로 약물 부작용을 사전에 예측하고 급성 신손상이 발생하는 원인을 규명하며 개인별 맞춤형 약물 안전성 평가로까지 확장할 수 있을 것으로 기대했다.

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