바이오모방 키리갬미 캡슐 로봇을 이용한 최소침습 위장관 조직채취

초록

키리-캡슐은 폴리이미드(PI) 필름에 키리갬미 패턴을 적용하고, 듀얼 캠 메커니즘으로 플랩을 전개·회전시켜 위·소장을 안전하게 스크래핑한다. 실험 결과, 0.05 mm 두께 필름이 15 % 변형 시 약 34°의 전개각을 유지하며, 평균 조직 채취량은 위에서 10.9 mg, 소장에서 18.9 mg으로 기존 힘껏 집게와 동등했다. 침투 깊이는 0.46–0.66 mm로 안전 범위 내이며, 캡슐 크기는 직경 17 mm·길이 22 mm로 삼킴이 가능하다.

상세 분석

본 논문은 기존 무선 캡슐 내시경(WCE)의 조직채취 부재 문제를 해결하기 위해 ‘키리-캡슐(Kiri‑Capsule)’이라는 새로운 바이오모방 로봇을 제안한다. 핵심 아이디어는 얇은 폴리이미드(PI) 필름에 삼각 격자형 키리갬미 절단을 가하여, 평상시에는 평탄하지만 캠 구동 시 인장 변형을 받아 3차원 돌출 플랩으로 변형되는 구조를 구현한 것이다. 플랩은 뱀 비늘의 겹치는 움직임을 모방해 설계되었으며, 날카로운 선단이 조직에 접촉하면 제한된 깊이(≈0.6 mm)로 침투하고, 이어지는 회전 스크래핑 동작을 통해 점막 표면을 효율적으로 벗겨낸다.

캠 메커니즘은 두 개의 프로파일형 캠과 직선 가이드 롤러 팔로워를 이용해 ‘전개‑스트레칭 단계’와 ‘회전‑스크래핑 단계’를 순차적으로 수행한다. 전개 단계에서는 하부 아크형 캠이 회전하면서 팔로워를 위쪽 가이드에 따라 수직 이동시켜 플랩을 외부로 밀어내고, 15 % 인장 시 약 34°의 전개각을 확보한다. 이후 상부 곡선형 캠 구간으로 진입하면 팔로워가 회전 운동을 유도해 플랩을 회전시키며 조직을 스크래핑한다. 이 과정은 소형 4상 스테퍼 모터와 십자형 샤프트를 통해 정밀하게 제어되며, 전류 방향을 바꾸면 플랩을 즉시 복귀시켜 재사용이 가능하도록 설계되었다.

재료 선택 측면에서 PI 필름은 Young’s modulus ≈20 MPa로 충분히 강하면서도 얇은 두께(0.05 mm)에서는 인장에 대한 저항이 낮아 캠 구동 전력이 최소화된다. 두께가 증가할수록 강성이 높아지지만 변형 시작에 필요한 힘이 급증해 캡슐 내 전력·공간 제약에 부적합함을 실험적으로 확인하였다.

기계적 성능 검증은 벤치 테스트와 돼지 장기(ex‑vivo) 실험으로 진행되었다. 벤치 테스트에서는 다양한 두께의 PI 시트에 대한 응력‑변형 곡선을 측정해 0.05 mm 시트가 가장 부드러운 전이 구간을 보였으며, 전개 각도와 인장률 사이의 선형 관계를 도출하였다. 조직 침투 실험에서는 플랩이 평균 0.61 mm 깊이까지 삽입되었고, 최대 0.66 mm까지 변동하였다. 이는 기존 캡슐 기반 바늘·칼날 모듈이 초과하는 위험 깊이(≈1 mm 이상)보다 안전한 수준이다.

조직 채취량은 위에서 평균 10.9 mg, 소장에서 18.9 mg을 기록했으며, 이는 전통적인 내시경용 힘껏 집게(Forceps)와 통계적으로 유의미한 차이가 없었다. 또한, 전개·스크래핑 과정에서 측정된 삽입·추출 힘은 위·소장 점막의 파열 강도 이하였으며, 인체 적용 시 출혈·천공 위험을 최소화할 수 있음을 시사한다.

캡슐 전체 치수는 직경 17 mm·길이 22 mm로, 현재 상용 WCE(≈11 mm × 26 mm)와 비교해 약간 큰 편이지만 삼킴 가능성을 유지한다. 전자·배터리 보호를 위해 중앙·후면 쉘이 밀폐 구조를 이루며, 전체 시스템은 3D 프린팅(스트라타시스 J826)으로 빠르게 프로토타이핑되었다.

한계점으로는 현재 실험이 ex‑vivo 환경에 국한되어 있어 실제 위·소장 내 움직임(연동, 점액, 위산)과 장시간 구동 시 열·전력 관리 문제가 남아 있다. 또한, 플랩 재배치 후 조직 잔여물의 완전 제거 여부와 반복 사용 시 피로 파괴 가능성에 대한 장기 내구성 테스트가 필요하다. 향후 연구에서는 무선 전력 전송·에너지 회수, 실시간 영상·위치 피드백 통합, 그리고 인간 임상시험을 통한 안전성·유효성 검증을 목표로 한다.

결론적으로, 키리-캡슐은 키리갬미 구조와 듀얼 캠 구동을 결합해 기존 캡슐 내시경에 조직채취 기능을 부가함으로써, 비침습적 영상 진단과 조직학적 검증을 동시에 수행할 수 있는 새로운 패러다임을 제시한다.