기계/자동차/부품

닛케이 ROBOTICS_25.07호 (P16~26)

바이오 신약 개발 연구의 분석 실험을 초저가 로봇팔로 자동화
카르나바이오가 중국 Dobot의 로봇 도입, 야간에 작업

수십만 엔의 초저가 로봇팔을 사용하는 사례가 바이오 분야에서도 등장했다. 고베(神戶)시에 거점을 두고 있는 바이오 벤처인 카르나바이오사이언스(Carna Biosciences)는 신약 개발 연구에 필요한 실험 작업을 로봇팔로 자동화했다. 중국 Dobot Robotics의 초저가 4축 로봇팔 ‘MG400’을 도입해 분석∙평가(Assay) 장치에 측정 대상 물질을 투입∙배출하는 작업을 야간에 자동으로 실시하고 있다.

카르나바이오사이언스는 2003년에 창업. 원래 당시 가네보(鐘紡)의 의료품연구부문이 시작점이다. 1999년에 가네보가 이 연구부문을 네덜란드의 Organon에 매각함으로써 그 일본법인(Organon Japan) 연구소가 되었다. 2002년경에 Organon이 세계적인 구조조정을 실시해 일본의 거점도 축소∙폐쇄될 예정이었기 때문에 연구소 멤버들이 독립해 카르나바이오사이언스를 설립하였다. 자체적으로 의약품을 개발하는 바이오신약개발부문과 대형 제약사 등에 물질의 제공·분석서비스 등을 제공하는 신약개발지원부문이라는 2종류의 사업을 전개하고 있다.

신약개발 사업은 투자와 시간을 필요로 하는 사업으로, 그 자원을 안정적 수익을 기대할 수 있는 대기업을 대상으로 한 신약개발서비스를 통해 보완하는 구조로 되어있다. 이번에 로봇팔을 도입한 것은 후자인 신약개발지원부문이다. 고객 제약사로부터 물질의 분석·평가를 수탁해 그 평가 결과를 납품하고 있으며, 이번에 그 분석·평가 작업의 일부를 로봇으로 자동화했다.

카르나바이오사이언스가 개발하고 있는 신약은 생체 안에 있는 효소 ‘키나아제(kinase)’의 활동을 촉진하는 타입의 의약품이다. 인체 내에는 약 500종의 키나아제가 존재하고 있으며, 그 효소로서의 촉매 능력이 세포의 기능 및 작용, 세포의 증식·분화 등에 큰 영향을 미친다. 또한, 효소는 주로 단백질로 구성되어 있고, 그 기능에는 여러 종류가 있지만, 키나아제는 그 중에서 '전이효소' 중 하나이다. 전이효소란 생체 내의 물질을 인산화(인산전이, 분자에 인산기를 붙이는 것)하는 효소를 말한다. 생체 내에서는 단백질의 인산화 여부가 시그널 전달 등에서 중요한 의미를 가지고 있으며, ‘분자 스위치’라고도 불리고 있다. 특정 키나아제의 작용에 이상이 생기면 암 등의 요인이 되기도 한다.

카르나바이오사이언스는 이 키나아제를 표적으로 한 의약품을 신약개발부문에서 개발하고 있으며, 동시에 수백 종류의 키나아제를 제조해 제약사에 판매하거나, 다수의 키나아제를 사용한 분석·평가를 수탁하고 있다. 제약사는 키나아제의 작용에 영향을 미치는 의약품 후보 물질을 개발했을 때 당연히 그 효과를 확인할 필요가 있지만, 키나아제는 종류가 많기 때문에 카르나바이오사이언스와 같은 전문 기업에 위탁하는 것이다. 카르나바이오사이언스와 같이 키나아제에 특화된 바이오 벤처는 세계적으로도 드물다.

-- 장치 지원 종료가 계기 --
카르나바이오사이언스는 신약개발지원부문에서 다수의 키나아제를 사용해 분석·평가를 실시하고 있다. 이때 사용하고 있는 것이 '캐필러리전기영동장치'이다. 전기영동(電氣泳動)이란 액체에 고전압을 인가하여 전계를 발생시켜, 물질에 따른 이동 속도의 차이 등을 통해 물질의 성질을 분석하는 것이다. 물질은 인산화되어 있는지 여부에 따라 전기영동시킬 때의 움직임이 다르기 때문에, 키나아제의 작용(대상 물질을 인산화)은 전기영동을 통해 측정∙평가할 수 있다. 캐필러리란 가는 관을 말하며, 관 내부의 액체에 전압을 인가한다. 카르나바이오사이엔스는 지금까지 대량의 분석을 실시하기 위해 1대의 장치로 복수의 샘플을 동시에 병렬적으로 분석할 수 있는 타입을 사용하고 있었다. 캐필러리가 여러 개 구비된 것으로, 각각에 전계를 인가하는 것이었다.

구체적으로는 미국 Perkin Elmer의 장치 'EzReader II'를 사용하고 있었지만, 2024년 말경에 이 장치에 대한 지원이 종료되었다. 그 이전부터 소모 부품도 구하기 어려웠기 때문에 수년 전부터 대체할 장치를 검토하기 시작했다. 2021년경에 미국의 SCIEX가 8개의 샘플을 동시에 분석할 수 있는 동일한 종류의 장치 ‘BioPhase 8800'을 발매했기 때문에, 이 장치로 전환해보기로 했다.

하지만 문제가 있었다. BioPhase 8800은 다수의 샘플이 장치 외부로부터 자동으로 투입되는 구조가 아니었던 것이다. 이 장치는 다수의 오목하게 파인 홈이 있는 수지제 플레이트에 복수의 샘플을 넣고, 그 플레이트 그대로 장치에 투입하여 측정을 한다. 이전의 EzReader II에는 플레이트를 랙에 모아두고 장치의 본체에 자동으로 투입하는 전용 로봇팔 기구(플레이트 핸들러)가 정품 옵션으로 마련되어 있어서 카르나바이오사이언스도 이것을 사용하고 있었다. 수십 개의 플레이트를 분석하려면 하룻밤 정도 걸리기 때문에 다수의 플레이트를 저장해두고 자동으로 투입∙배출할 수 있는 구조가 필요했던 것이다.

카르나바이오사이언스는 SCIEX에 향후 플레이트 핸들러를 발매할 계획이 있는지 문의했지만, 곧바로 입수할 수 있는 상황이 아니라는 것을 알게 되었다. 그래서 로봇팔을 사용해 플레이트를 자동으로 투입하는 시스템을 자체 개발하기로 한 것이다. Dobot Robotics의 일본 대리점인 TechShare의 홈페이지를 통해 수십만 엔에 구입할 수 있는 저렴한 가격의 로봇팔이 있다는 것을 알고 구체적인 검토를 개시. 플레이트를 파지(把持)하는 핸드를 먼저 시작(試作)하고, 그것을 가지고 2022년 1월, 도쿄에 있는 TechShare의 사무실에서 검토 대상인 로봇팔(MG400)을 빌려 테스트했다. 플레이트도 고베에서 가져와 MG400으로 플레이트의 핸들링이 가능한지 확인했다. 로봇팔에 대해서는 그 자리에서 구입을 결정하고, 새로운 분석 장치도 구입. 2022년 여름에 납품되었다. 도입·개발을 담당한 카르나바이오사이언스 신약개발지원사업본부의 나루미(鳴海) 본부장은 바이오 분야가 전문이지만, 대학 시절에 프로그래밍 경험 등도 있었기 때문에 로봇을 도입해 스스로 시스템을 구축하는 것에 대한 거부감은 없었다고 한다.

-- 파지의 정밀도를 향상시키는 고안도 --
그림 4~6이 시스템의 외관이다. 캐필러리전기영동을 실시하는 장치가 있으며, 장치의 오른쪽에 로봇팔이 배치되어 있다. 카르나바이오사이언스는 하룻밤 동안 수십 개의 플레이트를 취급하기 때문에 로봇팔 주위에는 플레이트를 세로로 쌓아 저장해둘 수 있는
랙이 마련되어 있다. 분석 후 플레이트는 다시 이 랙에 수납된다. 플레이트에는 QR코드를 첨부되어 있어 장치에 투입될 때마다 스캐너로 읽을 수 있다. QR코드 ID를 분석 데이터와 연결될 수 있도록 했다. 핸드는 시판되고 있는 전동형 평행 그리퍼를 사용, 플레이트의 짧은 쪽 방향을 측면에서 끼워 넣을 수 있도록 위치를 잡고 파지한다.

장치의 투입구에 플레이트를 삽입할 때에는 밀리미터 단위의 정밀도가 필요하다. 하지만, 투입구에 테이퍼와 같은 각도가 있으면 미세한 위치의 오차가 발생해도 허용된다. 이전에 사용하던 장치의 경우, 플레이트 핸들러가 장착되어 있었기 때문에 그러한 각도로 설계로 되어 있었지만, 이번 장치는 테이퍼가 없어 투입 시 보다 엄밀한 정밀도가 요구되었다. MG400 자체의 위치 정밀도에는 문제가 없지만, 문제는 플레이트 파지 위치의 편차이다.

플레이트는 세로로 쌓을 수 있도록 되어 있지만, 수납 시 상하 플레이트 사이에 약간의 공간이 생길 수 있어 플레이트의 수평 방향의 위치에는 편차가 발생한다. 플레이트 측면과 랙 사이에도 공간이 발생한다. 이러한 이유 때문에 카메라 등의 센서가 없는 상태에서 핸드로 플레이트를 파지하면 플레이트의 긴 쪽 방향의 파지 위치는 매번 미세한 오차가 발생하여 플레이트가 장치의 투입구에 잘 들어가지 않게 된다.

그래서 카르나바이오사이언스는 플레이트를 파지한 후, 플레이트의 긴 쪽 방향의 파지 위치를 리셋해 균일하게 맞추는 방법을 고안했다. 구체적으로는, 플레이트를 장치의 투입구 옆에 일단 놓은 후, 투입구의 가장자리에 대고 멈출 때까지 플레이트의 짧은 쪽 부분을 핸드로 밀어낸다. 그 다음, 다시 플레이트를 파지하도록 하면 플레이트의 긴 쪽 방향의 파지 위치가 매번 동일해진다.

-- 파이썬(Python)을 많이 사용해 개발 --
로봇팔과 측정 장치의 제어에는 파이썬을 많이 사용했다. MG400에는 TCP/IP를 경유하여 파이썬을 통해 제어하기 위한 라이브러리 'TCP-IP-4 Axis-Python'이 표준으로 마련되어 있어 이것을 이용하였다. 외부에 제어용 소형 PC를 준비하고, 그것에 파이썬 환경을 구축하여 로봇팔에 네트워크를 통해 제어 지시를 내린다. PC측의 제어 어플리케이션에는 그날 야간 작업에서 몇 개의 플레이트를 처리할 것인가 등의 정보가 저장된다.

해결 과제는 분석 장치의 제어였다. 새롭게 도입한 장치에 LAN 포트는 마련되어 있었지만, 어디까지나 순정 데이터 해석 서버와 접속하기 위한 것으로, 네트워크를 통해 분석 개시 등의 조작 지시를 내리는 것은 불가능한 사양이었다. 플레이트의 도입∙배출을 로봇팔로 자동화한다고 해도, 분석 장치 조작 패널을 사람이 직접 조작해야 한다면 완전한 자동화라고 할 수 없다.

카르나바이오사이언스는 당초 장치 앞면의 터치패널을 로봇팔로 직접 물리적으로 누르는 방식을 검토. 그 검토 과정에서 ‘비밀병기’와 같은 방법을 발견해 최종적으로 채택하게 되었다. SCIEX의 BioPhase 8800은 내부에 윈도우 PC가 탑재되어 있으며, 터치패널에도 이 윈도우 창이 뜨고 있다. 카르나바이오사이언스는 이 윈도우에 외부 PC로부터 원격데스크톱프로토콜(RDP)을 경유해 접속하여 외부 PC 상에서 마우스 조작 등을 자동으로 실시하는 ‘RPA(Robotic Process Automation)’를 동작시키면, 네트워크를 통해 분석 장치를 조작할 수 있다는 것을 알게 되었다. 장치의 윈도우는 초기 설정에서 RDP가 무효화되어 있었지만, 이것을 설정 변경을 통해 유효화했다. 이렇게 하면 제어용 PC 화면에 분석 장치의 조작 패널 화면이 하나의 창으로 표시되기 때문에 RPA를 이용하면 쉽게 버튼 조작 등이 가능해진다.

또한, 제어용 PC에서 원격데스크톱에 접속되어 있는 동안에는 분석 장치 본체의 조작 패널에 윈도우의 잠금 화면이 표시된다.

조작 패널 상의 어디에 버튼이 있는지, 현재 장치가 어떤 상황에 있는지에 대해서는 오픈소스의 화상인식 라이브러리 'OpenCV' 을 이용해 PC 화면을 인식·검출하도록 했다. 투입구 뚜껑의 개폐, 측정 조건 설정, 측정 개시와 같은 조작을 OpenCV+RPA이라는 방식을 통해 자동화했다. RPA는 마우스나 키보드 조작용 라이브러리로 ‘PyAutoGUI’, 창 목록을 가져오거나 창을 닫는 등, 창 조작 라이브러리로 'PyGetWindow'를 이용하였다.

향후, 분석 장치의 조작 패널 버튼 레이아웃 등이 바뀌게 되었을 경우에는 그때마다 자체적으로 수정하는 등의 대응이 필요하다. “자체적으로 시스템의 유지보수를 해 나가야 할 필요가 있다는 점은 향후 과제이다”(나루미 본부장)라고 한다.

나루미 본부장에 따르면, 분석 장치측의 윈도우는 가끔 재부팅이 필요한 경우도 발생한다고 한다. 야간에 자동으로 작업하는 동안 그러한 상황에 빠져 분석이 멈추면 안되기 때문에 윈도우를 자동으로 재부팅하는 구조도 도입했다.

RPA의 라이브러리 경유에서는 원격데스크톱에 접속된 PC를 재부팅하는 것이 어렵기 때문에 이 때는 로봇팔을 물리적으로 사용하기로 했다. 임의의 키 매핑이 가능한 프로그래머블 소형 키보드를 제어용 PC에 연결하고, 여기에 원격데스크톱에 연결된 PC를 재부팅하기 위한 쇼트커트키(Ctrl+Alt+End)를 할당했다. 이 키보드의 키를 로봇팔이 누르면 분석 장치 측의 윈도우에 재부팅 신호가 보내져 재부팅이 된다. 재부팅하지 않으면 안 되는 상황인지에 대한 판단도 전술한 OpenCV로 실시한다. 소형 키보드는 분석 장치의 투입구 근처에 배치했다.

-- 데이터 분석 작업도 RPA로 --
이번에 도입한 분석 장치는 기본적으로 사람이 그 자리에서 조작하는 것을 전제로 하고

있기 때문에 측정 후의 데이터에 대한 파동 형태 해석 등을 실시할 경우, 그때마다 화면에서 데이터 파일 선택, 해석 개시와 같은 조작을 사람이 할 필요가 있다. 플레이트 1개의 데이터 해석에 5분이 소요되기 때문에 야간에 15개의 플레이트를 자동 처리하려면 총 75분의 해석 시간이 필요하다. 카르나바이오사이언스는 이와 같은 수동 조작에 대해서도 RPA로 자동화했다. 장치 앞에 사람이 없어도 데이터 해석 지시를 RPA로 자동 처리하도록 했다.

분석 후 데이터는 PDF 보고서 형태로 출력되며, 이 PDF에서 파형 화상 및 수치 데이터를 추출하고, 이것을 엑셀에 투입하여 독자적인 해석을 실시하는 구조도 파이썬 상에서 구축해 자동으로 처리되도록 했다. 아침에 직원이 출근하면 플레이트의 물리적 처리뿐만 아니라, 데이터 해석도 종료되어 있다. 현재, 카르나바이오사이언스에서는 이 시스템을 2세트 보유, 물질 분석 및 평가 작업에 활용하고 있다.

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