In-vivo actuation of compliant dielectric elastomer artificial muscles via a peripheral nerve interface

당신의 몸속에 심어놓은 아주 작은 합성 근육을 당신의 신경 배선이 직접 제어할 수 있는 세상을 상상해 보십시오. 이것은 공상 과학이 아닙니다. 우리의 부드럽고 말랑말랑한 생물학적 구조와 기계의 딱딱하고 견고한 세계 사이의 간극을 메우려는 분야인 '유연한 바이오 일렉트로닉스(flexible bioelectronics)'의 최첨단 기술입니다. 수년 동안 과학자들은 우리의 신경으로부터 신호를 '듣고', 손가락을 움직이거나 눈을 깜빡이라고 명령하는 전기적 속삭임을 해독하는 센서를 만드는 데 매우 뛰어난 성과를 보여왔습니다. 하지만 기계가 우리 조직에 '대답'할 수 있게 하는 것, 즉 실제 근육처럼 부드러운 손길로 조직을 밀거나 당기거나 짜주는 기술을 만드는 것은 거대한 난제였습니다. 대부분의 인공 근육은 너무 뻣뻣하거나(로봇 팔처럼), 실제 피부를 움직이기에는 너무 약하다는 문제가 있었기 때문입니다. 이를 해결하기 위해 연구자들은 '유전체 엘라스토머 액추에이터(dielectric elastomer actuators, DEAs)'를 주목하고 있습니다. 이것들을 전기를 저장하는 장치인 축전기(커패시터)처럼 작동하는 매우 얇고 잘 늘어나는 고무 시트라고 생각하십시오. 이 시트에 고전압을 가하면 중간 부분이 눌리면서 옆으로 넓게 늘어나는데, 이는 실제 근육이 수축하는 방식을 모방합니다. 핵심적인 질문은 항상 이것이었습니다. "이 섬세하고 고전압을 사용하는 고무 시트를 안전하게 방수 슈트로 감싸서, 살아있는 몸 안에서 신경의 직접적인 제어를 받으며 춤추게 할 수 있을까?"

이 논문은 "그렇다, 가능하다"라고 말하며, 살아있는 동물 내부에서 이를 최초로 성공시켰습니다. 스테파니아 콘스탄티니디(Stefania Konstantinidi)와 그녀의 팀이 이끄는 연구진은 안면 마비 환자들이 다시 미소 지을 수 있도록 돕는 '인공 근육'을 만들기 위해 나섰습니다. 안면 마비는 신경이 입을 위로 끌어올리는 근육에 신호를 보내는 것을 멈추어, 얼굴이 무표정하거나 때로는 슬픈 표정으로 굳어버리는 까다로운 질환입니다. 현재의 해결책은 종종 신체의 다른 부위에서 근육을 옮겨오는 복잡한 수술을 포함하는데, 이는 시간이 오래 걸리고 뇌가 그 근육을 사용하도록 재훈련하는 과정이 필요합니다. 연구팀은 더 부드러운 접근 방식을 테스트하고자 했습니다. 바로 피부 바로 아래에 위치하여 신경의 신호를 기다리는 작고 신축성 있는 임플란트입니다.

먼저, 그들은 근육을 설계해야 했습니다. 그들은 신축성 있는 실리콘을 부드러운 탄소 전극 사이에 샌드위치처럼 겹치고, 이를 PET(물병에 쓰이는 것과 같은 플라스틱)로 만든 작고 강한 섬유로 보강한 '강화된' 버전의 고무 시트(rDEA라고 불림)를 만들었습니다. 이 섬유들은 나무의 결처럼 작용하여, 인공 근육이 실제 근육 섬유처럼 한 가지 특정 방향으로만 늘어나도록 만듭니다. 그들은 이를 인간의 두개골을 모사한 모델(실리콘으로 덮인 가짜 피부) 위에서 테스트했습니다. 그 결과, 전압을 켜면 인공 근육이 늘어나면서 가짜 피부의 입꼬리를 위로 끌어올린다는 것을 발견했습니다. 그들은 실제 얼굴 피부와 같은 하중 아래에서 근육을 14%까지 늘리는 데 성공했으며, 이는 벤치탑 실험에서 개념이 작동함을 증명했습니다.

그다음은 진짜 테스트, 즉 살아있는 생명체 안에 넣는 단계였습니다. 연구팀은 이 실험을 위해 마취된 쥐를 사용했습니다. 그들은 쥐의 등 쪽 피부 아래에 작은 주머니를 만들고, 완전히 감싸진 작은 인공 근육을 그 안에 밀어 넣었습니다. 인공 근육이 단순히 마찰 때문에 끼이지 않고 실제로 피부를 움직일 수 있는지 확인하기 위해, 그들은 특수 초음파 젤을 사용했는데, 이는 임플란트와 피부 사이의 저항을 줄여주는 윤활제 역할을 했습니다. 7kV(킬로볼트)의 고전압을 가했을 때, 임플란트는 쥐의 피부를 최대 0.78mm까지 밀어 올리는 데 성공했습니다. 이는 작게 들릴지 모르지만, 아주 작은 임플란트의 세계에서는 엄청난 도약입니다.

하지만 가장 흥נית 부분은 바로 '신경 인터페이스'였습니다. 연구팀은 단순히 리모컨으로 스위치를 켜는 대신, 쥐 자신의 신경계가 이 작업을 수행하기를 원했습니다. 그들은 쥐의 좌골 신경(다리의 주요 신경) 주위에 유연한 커프(작은 팔찌 같은 형태)를 부착했습니다. 신경을 자극하자, 전기 신호가 커프를 통해 전달되어 인공 근육을 작동시켰습니다. 근육은 실시간으로 반응하며 신경 신호에 맞춰 피부를 움직였습니다. 그들은도 깜빡임이나 미소와 같은 자연스러운 움직임의 범위를 포괄하는 초당 0.5회에서 3회의 다양한 속도 테스트를 진행했습니다. 지연 시간은 불과 몇십 밀리초에 불과했는데, 이는 시스템이 실제 미소의 속도를 따라잡을 수 있음을 의미합니다.

연구팀이 사용한 한 가지 영리한 기술은 근육에 대한 '역발상'이었습니다. 실제 근육은 수축할 때 입을 위로 끌어올립니다. 하지만 이 인공 근육은 반대로 작동합니다. 전압이 '꺼져' 있을 때, 그것은 자연스럽게 피부를 끌어올려 미소를 짓게 합니다. 전압을 '켜면' 근육이 늘어나면서 피부가 다시 중립 상태로 이완되도록 합니다. 이는 마비 환자들에게는 일종의 '슈퍼 파워'가 될 수 있습니다. 만약 임플란트가 항상 '켜져' 있다면(미소를 유지한다면), 이는 마치 배터리처럼 전하를 유지하는 것만으로 거의 전력을 소비하지 않고도 그 상태를 유지할 수 있기 때문입니다. 에너지는 오직 놓아주고 이완할 때만 아주 적은 양의 에너지를 필요로 합니다. 즉, 미래의 장치는 배터리를 소모하지 않고도 마비된 얼굴이 행복하고 대칭적으로 보이도록 유지할 수 있다는 뜻입니다.

연구진은 이 연구가 초기 단계의 '급성(acute)' 연구라는 점을 주의 깊게 명시했습니다. 즉, 이 실험은 동물을 잠들게 한 후 테스트 직후 인도적으로 종료하는 방식으로 진행되었습니다. 그들은 임플란트를 몇 주 또는 몇 달 동안 넣어두어 신체가 시간에 따라 어떻게 반응하는지 관찰하지 않았으며, 인간을 대상으로 테스트하지도 않았습니다. 또한 쥐의 피부는 인간의 얼굴과 다르며, 마찰을 줄이기 위해 사용한 젤 역시 체내에서 더 오래 지속될 수 있는 것으로 대체되어야 한다고 언급했습니다. 그러나 이 연구는 기본적인 아이디어가 작동한다는 것을 증명했습니다. 즉, 부드럽고 신축성 있는 고전압 인공 근육을 이식할 수 있으며, 그것이 살아있는 신경의 신호를 듣고 안전하게 조직을 움직일 수 있다는 것입니다. 이는 기초적인 단계로서, 우리의 신경계와 합성 소프트 근육 사이의 가교가 가능하다는 것을 보여주며, 언젠가 미소를 잃은 사람들에게 다시 미소를 되찾아줄 수 있는 미래형 장치의 길을 열어주고 있습니다.