일본산업뉴스요약

자력(磁力)으로 관절 움직임을 자유자재로
가나자와대학, 내시경 수술에서 활용

가나자와대학의 다나카(田中) 교수 연구팀은 다관절을 이용해 어느 방향으로도 구부릴 수 있는 정밀 작업용 매니퓰레이터(매직핸드)의 기본 구조를 개발했다. 관절 부분에 자성 입자를 분산시킨 겔 상태의 재료를 사용해, 외부에서 자기장을 바꿈으로써 구부러지는 성질을 제어한다. 내시경 수술용 수술 기구 등에 응용한다.

기술의 응용을 상정하고 있는 것은 환자의 복부나 흉부에 작은 구멍을 뚫어 실시하는 내시경 수술에서 사용하는 내시경 스콥이나 겸자, 전기 메스 등의 수술 기구. 현재의 이들 기구는 관절부가 없어 가동 범위가 한정적이다.

이것이 자유자재로 구부러지면 좁은 장소에서 수술 기구가 서로 충돌하는 것을 피할 수 있다. 또한 스콥이 환부의 깊은 곳까지 들어가 사각지대가 생기지 않도록 할 수 있다. 이러한 이유 때문에 관절부가 있는 수술용 매니퓰레이터가는 과거에도 제안되었다. 그러나 “충분한 자유도를 갖고 소형화가 가능한 방식은 아직 개발 도중 단계다”(다나카 교수).

다나카 교수 연구팀은 매니퓰레이터는 내부에 자성 입자인 카보닐 철분을 분산시킨 겔 상태의 재료(자성 컴파운드)와, 전자석 코일 부분을 교대로 배치해 막대기 모양으로 했다. 주위에 4개의 견인 와이어를 달았다. 관절부에 상당하는 자성 컴파운드는 양측의 전자석 코일에서 나오는 자기장을 바꿈으로써 강성(탄성률)을 바꿀 수 있다.

한 쪽을 N극, 반대 측을 S극의 조합(흡인 자기장)으로 하면, 자력선이 N극 측에서 S극 측으로 자성 컴파운드 내부를 관통한다. 이 자력선을 따라서 컴파운드 내부의 자성 입자가 쇠사슬 모양의 구조를 형성해 관절부는 단단한 상태가 된다. 반대로 N극끼리 혹은 S극끼리의 조합일 경우는 자기장이 반발해 약화되므로 자기장을 가하지 않는 무자기장 때와 마찬가지로 부드러운 상태가 된다.

관절부는 와이어로 구부리거나 늘리거나 한다. 각 관절을 모두 부드러운 상태로 해서 한 개의 와이어를 당기면 그 와이어를 따라서 매니퓰레이터가 구부러진다. 또한 자기장을 바꿔 앞 부분만 관절부를 부드럽게 한 후에 반대 측의 와이어를 당기면 앞 부분만이 반대 측으로 구부러진다. 이렇게 해서 매니퓰레이터를 S자형으로 구부릴 수도 있다.

다나카 교수 연구팀은 당초에 관절부를 실리콘 내부에 카보닐 철분을 분산한 엘라스토머 재료를 사용해 시작(試作)했지만 흡인 자기장의 상태에서도 충분한 강도를 얻을 수 없었다. 자성 입자가 쉽게 이동하는 겔 상태의 재료로 바꾼 결과 거의 충분한 성능을 얻을 수 있었다.

현재의 시작 부품은 외경 약 25mm로, 수술 기구에 응용하기 위해서는 소형화가 필요하다. 다나카 교수는 “자석 코일부의 발열 저감 등 다른 개발 과제도 해결해서 실용화하고 싶다”라고 말한다.

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