깜박이는 빛의 지시에 따라 부드럽게 헤엄치는 발톱 크기의 로봇 가오리가 등장했다.

살아있는 쥐의 심장 세포와 인공 물질을 섞어 만든 이 로봇의 길이는 16mm에 불과하고 무게는 겨우 10g이다.

로봇은 실제 가오리와 마찬가지로 지느러미를 파도처럼 펄럭여 부드럽게 물속을 헤엄친다. 깜박이는 불빛을 지느러미 표면에 붙인 심장 근육에 쏘아서 움직임을 조종한다.

로봇 가오리 개발 이야기는 화요일에 사이언스 저널에 소개되었다.

이번 개발을 주도한 하바드 대학교 응용 물리학자 케빈 키트 파커는 여러 분야의 과학자들이 로봇 가오리에 흥미를 가질 거라고 말했다. 심장 근육 구성이 어떻게 독특한 펌프 기능을 하는지 관심이 있는 심장 생리학자, 세포를 살아있는 공학 재료로 사용하려 하는 로봇 공학자 등이 관심을 가질 수 있다고 한다.

파커 본인의 전공은 의약품 안전과 효과 테스트에 사용하는 소형 인간 장기 개발이다. 그러나 몇 년 전 딸을 데리고 수족관에 갔다가 로봇 공학으로 방향을 틀었다.

“내 딸 캐롤라인과 함께 뉴 잉글랜드 수족관에 갔을 때 ‘유레카’가 찾아왔다. 캐롤라인은 가오리를 만져보려 했다. 손을 물에 넣자 가오리는 아주 우아하게 재빨리 손에서 멀어졌다.” 파커가 허핑턴 포스트에 전했다.

그는 심장 세포층과 비슷한 근육계 시스템을 만들 수 있다는 걸 깨달았다. “벼락을 맞은 기분이었다.”

파커와 동료들은 금으로 가오리 모양의 골격을 만들고 유연한 폴리머를 얇게 한 층 덮었다.

그 다음에는 가오리의 뇌와 근육이 필요했다. 쥐 배아에서 키운 심장 근육 세포 약 20만 개를 가지런히 로봇 위에 얹었다.

세포 조종은 광유전학의 힘을 빌렸다. 신경 과학 연구에서 빛으로 뉴런을 켜고 끌 때 자주 사용하는 방법이다. 뉴런이나 심장 근육은 원래 빛에 반응하지는 않는다. 그러나 광유전학을 사용해 단백질을 빛에 반응하게 만드는 DNA를 넣어 세포를 빛에 민감하게 만든다.

빛을 비추면 조작된 세포가 수축해 지느러미 아래쪽으로 파도 같은 움직임이 생긴다. 세포가 이완되면 로봇의 뼈대가 지느러미를 다시 위로 올린다.

그 결과 로봇 가오리는 빛을 따라 헤엄치게 된다.

파커는 이 설계에서는 심장 세포들이 감각기인 동시에 작동기임을 지적한다. 여기에는 장단점이 따른다. 살아있는 근육 세포는 합성 작동기보다 훨씬 더 에너지 효율적이지만, 더 취약하기도 하다. 그리고 계속 살아 있으려면 따뜻한 소금과 설탕 용해액에 담가 두어야 한다.

“소재로 사용된 소재는 연구실에서 컨디션이 좋았다 나빴다 한다. 세포들은 축축한 환경을 좋아하고, 팔팔한 동시에 취약하고, 죽는다.”

각 지느러미에 따로 빛을 비추면 로봇이 헤엄치는 방향도 조종할 수 있다. 빛의 주파수를 달리하면 속도도 조절할 수 있다.

워싱턴 대학교 비교 척추 동물 생체 역학 연구소장 애덤 섬머스는 이 로봇이 “세포 공학, 로봇 공학, 유기체 생물학, 생체 공학을 합쳐 기능하는 장비를 만들어 낸 역작”이라고 평했다.

“지느러미를 퍼덕이게 만들었다는 건 멋지다. 조종할 수 있다는 사실은 정말이지 놀랍다.”

해양 생물에 대한 파커의 관심은 심장 등 신체 여러 기관이 체내에서 혈액을 흐르게 하는 데 대한 관심과 겹친다. 액체를 펌프질하고 움직이는 것은 해양 생물들이 아주 잘하는 일이라고 파커는 말한다.

“자연에서 보이는 다른 근육 펌프들의 분해 공학을 통해 인간의 심장과 심장 질환에 대해 더 잘 알 수 있다는 착안이다.”

허핑턴포스트US의 This Tiny Robot Stingray Made From Gold And Rat Hearts Can Also Swim를 번역, 편집한 것입니다.