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세계 최초, 형태를 바꾸며 인체 내부를 탐사하는 ‘트랜스포머’ 나노로봇 개발!
美 서던메소디스트대 김민준 석좌교수가 현실화한 ‘이너스페이스(Inner Space)’

세계 최초 ‘트랜스포머’ 나노로봇 개발, 美 서던메소디스트대 김민준 석좌교수, 그 혁신의 여정!『김민준의 이너스페이스』. 김민준 교수가 개발한 SF적인 로봇은 이미 30년 전에 SF영화로 소개된 적이 있었다. 이 책과 동명의 영화, ‘몸속 우주’를 의미하는 〈이너스페이스〉다. 이 영화에선 초소형 잠수함을 타고 사람 몸속을 탐험하는 장면이 나오는데, 김민준 교수는 이러한 SF적 상상력을 나노로봇 연구에 적극 활용했다. 그가 세계 최초로 개발한 ‘트랜스포머’ 나노로봇 또한 SF적 상상력이 활용된 경우다. 콧물, 척수액, 혈액 등 인간 몸속의 유체 환경이 너무 다양한 탓에 나노로봇이 잘 움직이지 못하는 걸 보던 김민준 교수는 ‘〈트랜스포머〉에 등장하는 로봇처럼 스스로 형태를 바꾸면 어떨까’하는 아이디어를 떠올렸다고 회고한다. 트랜스포머 나노로봇 개발로 나노로봇의 약물전달 및 탐지 능력이 대폭 향상했고, 이로써 김민준 교수는 세계적 석학으로 자리매김했다.

김민준 교수는 한국에서 태어나 초중고교는 물론이고 대학교까지 다녔으며, ROTC로 군 생활까지 경험한 전형적인 한국 청년이다. 아니, 오히려 어린 시절부터 줄곧 앓아온 난독증 때문에 학습능력에 있어선 전형성과 거리가 먼 부류였다. 지금까지도 30cm 자가 없으면 책을 읽지 못하는 그가 어떻게 젊은 나이에 세계적 석학 반열까지 오를 수 있었던 것일까. 이러한 의문을 해소해주고자, 김민준 교수는 유년기에서부터 현재에 이르기까지 자신의 삶을 진솔하게 진술하며, 자신이 거쳐 간 여러 스승을 소개한다. 그밖에도, 미국 유학 중 만났던 지도교수, 노벨상 수상자, 공동연구 파트너, 학생과 관련한 수많은 에피소드를 통해 난독증 소년이 세계적 석학이 되기까지의 여정, 세계적 나노로봇공학자의 연구하는 삶을 흥미롭게 풀어낸다.

암세포 제거에서부터 고해상 뇌 지도 제작까지
박테리아, 바이러스 소재 나노로봇으로 탐사하는 우리 몸속의 소우주!

“김민준 교수는 대단히 환상적인 혁신기술을 개발했다. 우리가 SF소설의 소재로나 알고 있었던 것을 현실의 과학으로 만들어낸 것이다. 우리는 그의 기술에서 무한한 잠재력을 확인했다.”
- ‘유네스코-넷엑스플로상’ 심사위원 심사평

앞서 나온 심사평은 2016년 유네스코-넷엑스플로상(Unesco-Netexplo Award) 시상식에서 김민준 교수가 들었던 수많은 찬사 중 하나다. 유네스코-넷엑스플로상은 유네스코가 매년 프랑스 의회·디지털경제부와 함께 가장 혁신적이며 전도유망한 혁신기술을 선정해 수여하는 상으로, 김민준 교수는 동맥 혈관을 따라 수영하는 마이크로로봇을 개발한 공로를 인정받아 수상했다.
유네스코-넷엑스플로상 심사위원이 김민준 교수의 마이크로로봇을 ‘SF적’이라고 표현한 것은 그의 로봇이 단순히 눈에 보이지 않을 만큼 작아서만은 아니다. 혈관 안을 수영하면서 혈관의 막힘을 제거할 뿐만 아니라 몸속 특정 부위에 약물을 정확히 전달할 수 있도록 만들었기 때문에, 즉, 우리에게 무척 가깝고도 먼 몸속 우주에 활로를 개척했기 때문이다.

김민준 교수가 개발한 SF적인 로봇은 이미 30년 전에 SF영화로 소개된 적이 있었다. 이 책과 동명의 영화, ‘몸속 우주’를 의미하는 〈이너스페이스〉다. 이 영화에선 초소형 잠수함을 타고 사람 몸속을 탐험하는 장면이 나오는데, 김민준 교수는 이러한 SF적 상상력을 나노로봇 연구에 적극 활용했다. 그가 세계 최초로 개발한 ‘트랜스포머’ 나노로봇 또한 SF적 상상력이 활용된 경우다. 콧물, 척수액, 혈액 등 인간 몸속의 유체 환경이 너무 다양한 탓에 나노로봇이 잘 움직이지 못하는 걸 보던 김민준 교수는 ‘〈트랜스포머〉에 등장하는 로봇처럼 스스로 형태를 바꾸면 어떨까’하는 아이디어를 떠올렸다고 회고한다. 트랜스포머 나노로봇 개발로 나노로봇의 약물전달 및 탐지 능력이 대폭 향상했고, 이로써 김민준 교수는 세계적 석학으로 자리매김했다.

암세포 제거, 고해상 뇌 지도 제작에서부터 조직 재생, 기억 접속까지
트랜스포머 나노로봇, 의료용 나노로봇 상용화를 앞당기는 모멘텀이 되다
박테리아와 바이러스, 생명체 본연의 힘을 탑재한 김민준 교수의 나노로봇

마이크로·나노로봇(이하 나노로봇)은 머리카락 굵기 10만분의 1이라는 그 크기가 가장 중요한 특징처럼 보이지만, 사실 이보다 더 중요한 특징은 따로 있다. 바로, 체액 안에서 헤엄쳐 움직일 수 있도록 설계·제작되었단 것이다. 우리의 삶이 획기적으로 바뀌는 건 나노로봇이 우리 몸속에 들어왔을 때부터다. 체내 나노로봇의 방향과 속도는 자기장을 통해 제어할 수 있는데, 이를 온전히 조작할 수 있다면, 과거 우리가 너무 커서 불가능했던 문제를 해결할 수 있게 된다. 가령 인간의 손이나 일반적인 수술로봇으로는 닿을 수 없는 신체 내부까지 도달해 암세포와 종양을 파괴하는 약물을 전달할 수 있고, 나노로봇을 뇌 속으로 투입한다면, 지금껏 미지 영역으로 취급되었던 인간의 뇌를 탐험할 수 있게 된다.

그러므로 나노로봇을 인체 내부에서 어떻게 움직이게 할 것인가가 관건이다. 앞서 설명한 대로, 인간의 몸속은 대부분 콧물, 척수액, 혈액 등 다양한 점액으로 이루어져 있다. 이는 뉴턴의 법칙이 적용되지 않는 유체(이하 비뉴턴 유체)로, 이 끈적끈적한 비뉴턴 유체의 늪을 자유자재로 헤엄치지 않는 이상, 특정한 부위에 정확히 약물을 전달할 수 없다. 이를 해결하기 위해, 김민준 교수는 비뉴턴 유체에서도 힘차게 헤엄치는 박테리아의 능력을 모방해 박테리아 로봇(1세대 박테리아 나노로봇)을 개발한다. 그리고 여기서 더 나아가, 유체 환경의 변화를 자동으로 인식해 가장 최적화된 형태로 변신하는 로봇을 개발하였으니, 그것이 바로 트랜스포머 나노로봇(2세대 박테리아 나노로봇)이다. 이처럼 형태 변화 기능이 탑재됨으로써 나노로봇은 가혹한 유체 환경에서도 자유롭게 움직일 수 있게 되었고, 이는 곧 의료용 나노로봇의 상용화를 앞당기는 모멘텀이 되었다.

트랜스포머 나노로봇 개발 이후에도, 김민준 교수는 자신의 나노로봇을 계속해서 진화시켰다. 2세대 박테리아 나노로봇이 세포벽이라는 장애물을 뚫지 못해 버벅거리자, 박테리아 나노로봇을 3차원 나선형 구조로 회전하는 기능까지 추가 탑재한다(3세대 박테리아 나노로봇). 이처럼 1세대에서 3세대까지 진화하면서, 하드웨어 측면에서만큼은 상용화 수준까지 다다르게 된다. 다만, 복잡한 인체 내부를 온전히 제어하기 위한 소프트웨어 측면에서의 문제가 남았는데, 이를 해결하기 위해 현재 김민준 교수는 나노로봇에 인공지능의 딥러닝 기능을 탑재하는 연구를 진행 중이다. 나아가, 좀 더 효율적인 약물전달시스템을 위해, 인공 박테리아를 다른 소재로 대체하는 연구도 계속해서 진행 중인데, 김민준 교수가 연구하는 차세대 나노로봇 소재란, 놀랍게도, ‘침투의 귀재’ 바이러스다. 2020년, ‘인류의 재앙’으로 급부상한 바이러스는 김민준 교수의 연구실에서 ‘인류의 구원’으로 재탄생하는 혁신의 과정을 겪는 중이다.

세계 최초 트랜스포머 나노로봇은 어떻게 탄생할 수 있었는가?
기계공학, 의공학, 미생물학 등 각기 다른 학문을 연결하는 융합적 사고

“나노로봇공학은 혼자 하는 학문이 아니다. 다양한 학문 분야의 연구자와 소통을 통한 공동연구에 의해 하나하나 결과를 만들어가는, 인문학적 과정이다.”
- 〈프롤로그〉

〈프롤로그〉에서 김민준 교수가 역설하듯, 나노로봇공학은 결코 혼자서는 할 수 없는 학문이다. 앞서 설명한 대로, 나노로봇은 우리가 흔히 알고 있는 로봇과 달리, 눈에 보이지 않을 만큼 작아야 할 뿐더러 인체 내부에서 자유자재로 움직여야 한다. 그렇기에 나노로봇을 만들려면 로봇공학만 다뤄선 안 된다. 의공학, 전기·컴퓨터공학, 재료공학, 수학, 화학, 물리학, 미생물학, 의학 등 다양한 학문을 두루두루 다뤄야만 한다. 그렇다면 나노로봇공학자란 레오나르도 다빈치처럼 올라운드형 천재여야만 하는 걸까? 김민준 교수는 ‘아니’라고 말한다. 한 명의 올라운드형 천재를 대신할 융합형 연구팀을 꾸리는, 각기 다른 학문 분야의 아이디어를 연결하는 융합적 사고가 열쇠라고 얘기한다.

한국에서 나고 자란 난독증 소년, 세계적 석학이 되기까지의 여정
나노로봇공학의 우아한 계보, 융합형 연구자를 키워낸 스승들

김민준 교수는 한국에서 태어나 초중고교는 물론이고 대학교까지 다녔으며, ROTC로 군 생활까지 경험한 전형적인 한국 청년이다. 아니, 오히려 어린 시절부터 줄곧 앓아온 난독증 때문에 학습능력에 있어선 전형성과 거리가 먼 부류였다. 지금까지도 30cm 자가 없으면 책을 읽지 못하는 그가 어떻게 젊은 나이에 세계적 석학 반열까지 오를 수 있었던 것일까. 이러한 의문을 해소해주고자, 김민준 교수는 유년기에서부터 현재에 이르기까지 자신의 삶을 진솔하게 진술하며, 자신이 거쳐 간 여러 스승을 소개한다.
흥미롭게도, 김민준 교수를 키워낸 스승 중에는 ‘교수’만 있는 게 아니다. 오른팔 절단 수술을 받아 장애인이셨던 외할아버지와 함께 지내면서 장애와 비장애의 경계를 허물었던 어린 시절의 경험, 국어 선생에게서 30cm 자를 선물 받고 난독증을 극복했던 학창 시절의 경험, 소총 소대장으로서 다양한 배경을 가진 소대원과 함께하던 군 생활 경험까지. 자신이 융합형 연구자로 성장할 수 있던 중요한 이유 중 하나로, 그는 다양한 사람들과 편견 없이 생활했던 경험을 손꼽는다.
그밖에도, 미국 유학 중 만났던 지도교수, 노벨상 수상자, 공동연구 파트너, 학생과 관련한 수많은 에피소드를 통해 난독증 소년이 세계적 석학이 되기까지의 여정, 세계적 나노로봇공학자의 연구하는 삶을 흥미롭게 풀어낸다.

프롤로그

1장 나노로봇공학자의 융합적 사고
사람이라는 각각의 소우주를 서로 연결하다

01 30cm 자로 책을 읽는 난독증 교수
02 끊임없이 질문하며 답을 찾아나가는 실험주의자
03 서로 다른 생각을 연결하는 융합형 인간

2장 나노로봇공학의 경이로움
우리의 대우주와 우리 몸속의 소우주를 연결하다

마이크로·나노로봇 변천사
01 눈에 보이지 않는 초소형 기계 마이크로·나노로봇
02 생명체 본연의 강력함을 담아내는 박테리아 나노모터
03 전기장 박자에 맞춰 춤추는 박테리아 동력 마이크로로봇 (1)
04 수비수를 피해 골까지 넣는 박테리아 동력 마이크로로봇 (2)
05 지금까지 없었던 새로운 세포 기반의 로봇 마이크로 사이보그
06 우리의 세계를 인체 내부로 확장하는 이너스페이스의 꿈
07 환경에 따라 구슬 자석처럼 자가조립하는 트랜스포머 나노로봇
08 박테리아 플라젤라(편모)를 모방한 박테리아 나노로봇
09 자유자재로 형태가 변하는 인공세포 소프트-마이크로로봇
10 우리 몸속의 스마트 나노로봇 제조 공장 마에스트로 프로젝트

3장 소우주를 만든 대우주
한 명의 나노로봇공학자를 빚어낸 수많은 스승

학문 계보도(스승편) - 마이크로·나노로봇공학의 우아한 계보

01 이너스페이스, 우리 몸속의 우주를 상상하다
02 가족의 유산, 소통의 방법을 체득하다
03 비전공 분야에 도전, 다학제 연구 역량을 키워내다
04 유배지에서의 경험, 운명처럼 만난 ‘다산’과 연구자의 길
05 한 명의 나노로봇공학자를 빚어낸 수많은 스승
06 한 명의 나노로봇공학자와 함께하는 수많은 동료

4장 소우주가 만든 대우주
한 명의 나노로봇공학자가 키워낸 수많은 제자

학문 계보도(제자편) - 마이크로·나노로봇공학의 우아한 계보
01 The Good, The Bad, and The Ugly, ‘첫’ 제자들
02 존재만으로 힘이 되는, 한국인 제자들
03 애제자에서 함께 진보하는 동료 연구자로, 정유기 박사
04 다른 길을 찾아 떠난, 아쉬움이 남는 제자들
05 스승을 뿌리삼아 세상으로 뻗어나가는 제자들

5장 나노로봇공학자가 상상하는 미래
오늘의 상상과 내일의 현실을 연결하다

01 아직 누구도 보지 못한 풍경, 실패를 즐기는 모멘텀이 되다
02 수학이라는 언어, 자연현상을 읽고 상상을 현실화하다
03 학생들과의 연구, 마음껏 ‘덕질’하며 학맥을 이어나가다
04 국가의 연구 경쟁력, 경쟁과 협업을 보장하는 환경에 달려 있다
05 10년 동안의 동물 실험, 임상실험의 미래를 모색하다
06 미래의 나노로봇, 오늘의 상상과 내일의 현실을 연결하다

감사의 글

연구는 사람이 한다. 연구를 한다는 것은 사람을 만난다는 것이며, 서로 다른 사람들과의 만남을 통해 새로운 길을 함께 걸어가는 과정이다. 다학제 간 연구를 인문학적 과정이라 보는 것도 바로 그런 이유에서다. 독특한 사람들이 한데 모였을 때, 우리는 다양성 속에서 일반성과 독창성을 찾아낸다. 일반성은 보편적 질서를, 독창성은 창의적 아이디어를 만든다. 그리고 혁신적 연구 성과는 바로 창의적 아이디어에서 시작한다. - p. 6

나는 텍스트 안에서 길을 잃고 길을 찾는다. 난독증 때문에 조금 불편한 것도 사실이다. 하지만 우리 대부분은 한두 가지 핸디캡을 가지고 살아간다고 생각한다. 우리는 모두 각자 다른 핸디캡안에서 길을 잃고 길을 찾는다. 따라서 우리는 서로 다르지 않다. - p. 23

키가 1.8m 정도인 인간과 2㎛ 길이의 박테리아가 수영장에서 함께 수영한다고 가정해보자. 박테리아는 수영장의 물을 인간이 느끼는 것보다 훨씬 점성력이 큰 액체로 느낀다. 점성력은 유체의 끈적끈적함(점도) 때문에 생기거나 생길 수 있는 힘을 말한다. 영화 〈타잔〉을 보면 늪에 빠진 사람이 몸을 움직일수록 오히려 더 늪 속으로 빠져 들어가는 것을 볼 수 있다. 반복운동을 하기 때문이다. 점성력이 큰 유체에서는 비반복운동을 해야 추진력을 얻을 수 있다. 박테리아가 물(점도: 1centipoise) 속에서 반복운동을 통해 헤엄치는 것은 인간이 꿀(점도: 2,000centipoise) 속에서 헤엄치는 것과 같다. 만약, 우리가 수영장에 꿀을 채워놓고 자유형이나 평영으로 수영을 한다면 어떤 일이 벌어질까? 아무리 팔과 다리를 힘차게 반복적으로 움직여도 제자리에 떠 있을 뿐, 앞으로 나아가지 못할 것이다. - p. 60

박테리아는 생각할수록 신통방통한 미생물이다. 자연은 박테리아가 생화학적 감각기관을 십분 활용하여 아주 지능적으로 행동하고, 물리적·화학적으로 건장한 몸통과 유연한 편모들을 사용해 아주 가혹한 환경에서도 살아남을 수 있도록 설계하고 진화시켰다. 독립적으로 살다가도 주변 환경이 갑자기 안 좋아지면, 박테리아는 생존을 위해 전략적으로 형태를 변형한다. 독립 개체의 박테리아는 자기분화를 하여 이동세포 형태로 변하고, 더 나아가 다세포 무리 형태를 만들어 최악의 환경 속에서도 생명을 유지한다. 그런 의미에서 박테리아는 보이지 않는 작은 세상의 ‘트랜스포머’ 로봇과 같다. - p. 95

일반적으로 화학적 약물전달 방식은 수동적이다. 콘택600캡슐을 예로 들면, 캡슐을 삼켰을 때 위에서 캡슐이 벗겨지고 그 안의 약물 알갱이가 유체에 녹아 확산작용에 의해 약물이 전달된다. 그렇게 몸 안에 퍼진 약의 효과가 나타날 때까지는 시간이 꽤 걸린다. 마이크로·나노로봇을 이용한 약물전달 방식은 좀 더 적극적이고 표적지향적이다. 요즘은 혈액검사나 소변검사를 통해 암세포나 종양의 유무를 대략적으로 알게 되면, 그 위치를 MRI로 확인하고 조직검사를 통해 확정한다. 즉, 우리 몸 안 어느 곳에 약물전달이 되어야 하는지 그 표적을 미리 알 수 있다. 따라서 표적 근처에 수많은 마이크로·나노로봇을 주입한 후, 외부 자기장을 이용해 최대한 표적 가까이 접근시킬 수 있는 것이다. - pp. 102 ~ 103

뉴턴 유체와 비뉴턴 유체 내에서 나노로봇의 운동과 제어가 얼마나 다른지는 아주 간단한 실험을 통해서도 알 수 있었다. 인공 점액은 물과 달리 다양한 마이크로·나노미터 크기의 섬유 조직과 그물망 형태의 구조를 가지고 있다. 그 안에서 회전하는 단일 자성 입자들은 주위의 구조물과 끊임없는 충돌을 반복하며, 유체 동역학적 상호작용에 의해 헤엄칠 수 있는 것이다. 하지만 비뉴턴 유체에서는 뉴턴의 제2법칙의 적용에 많은 한계가 있으므로 회전 자기장에 의한 제어 오차가 뉴턴 유체에 비해 상당히 크다. - p. 130

외할아버지는 장애인이었다. 내가 태어나기 훨씬 전에 사고를 당해 오른팔 절단 수술을 받았다고 했다. 원래 오른손잡이였는데 오른팔을 잃은 후 어쩔 수 없이 왼손잡이로 바꿔야 했다. 어릴 적 외갓집에서 식사를 할 때면, 젓가락질을 못하는 나에게 당신은 한 손으로도 이렇게 잘 집는다며 놀리던 모습이 생생하다. 나는 아직도 젓가락질을 외할아버지만큼 잘하지 못한다. 장애를 가진 할아버지를 가까이서 보며 아주 어렸을 때부터 나는 사람들이 장애/비장애, 정상/비정상이라고 말하는 것에 대해 남들과 좀 다른 생각을 가지게 되었다. 정상(비장애)과 비정상(장애)이 절대적인 것이 아니고 어느 하나가 옳고 그른 문제가 아니라는 생각을 하면서 컸다. - pp. 165 ~ 166

실패를 거듭하다 보면 종종 행운도 찾아온다. 세포를 이용해 마이크로로봇을 만드는 실험을 할 때였다. 보통 자성을 가진 미생물은 독성이 강해 인체 내에 주입하기 어렵다. 따라서 인공적으로 자성을 가지는 하이브리드 세포로 만들어야 한다. 이것은 굉장히 도전적인 과제였다. 하지만 우연히 섬모충류에 속하는 원생동물인 테트라하이메나가 자성을 띤 나노입자를 먹이인 줄 착각하고 삼켰다가 서너 시간 후에 토해낸다는 사실을 알게 되었다. 어느 날 학부생 하나가 대학원생이 실험 중이던 테트라하이메나 배양액에 장난으로 나노입자를 살짝 넣고 퇴근했다. 다음 날 대학원생이 실험을 하는데 세포의 몸 안에 이상한 점들이 있는 것이 보였다. 그는 학부생에게 뭘 했길래 자기 세포들이 점박이가 됐냐고 물었다. 학부생은 모르는 척 시침을 뗐다. 그런데 몇 시간 후, 학부생이 현미경을 들여다보니 점박이 세포들이 온데간데없었다. 깜짝 놀란 학부생은 자신이 장난했던 실험을 반복해보았다. 그랬더니 세포들이 나노입자를 삼켰다 뱉는 것이 아닌가! 외부 자기장을 이용하여 세포가 삼킨 내부의 나노입자들이 긴 나무막대기 모양으로 결합하도록 만들어서, 세포가 나노입자를 뱉어내지 못하게 했다. 그 결과 자성을 가진 나노입자들을 삼킨 테트라하이메나는 외부 자기장으로 제어할 수 있게 되었고, 세포를 이용한 다양한 로봇으로 활용할 수 있게 되었다. - pp. 300 ~ 301

상상이 현실이 될 때 그것이 ‘혁신’이다. 오늘도 나는 ‘무에서 유는 창조될 수 없다’라는 열역학 제1법칙을 생각하며, 사람과 사람의 만남을 통해 기술과 기술의 융합을 이루어가며 새로운 혁신에 도전한다. 연구를 사람이 한다면, 융합도 혁신도 사람이 한다. 다양한 사람이 함께하면서 하나하나 이루어가는 융합기술이 티핑 포인트에 이를 때 혁신은 일어난다. 이 믿음으로 오늘도 나는 나의 학생들, 공동연구자들과 열심히 연구하고 있다. - p. 333