생체기계공학€¦ · 천둥 번개 천둥 번개의 원리: 빛 에너지가 열 에너지로 변화할 때 발생하는 소리 특정한 물질에 빛 (레이저 펄스)을

생체기계공학 실험

POSTECH 기계공학과

도 준 상

• 생체신호 측정 및 영상 실험

• 3D 프린팅 기반 조직 재생 실험

• 자연모사 실험

이번 시간에는!

생체신호 측정 및 영상 실험

: 로봇 원격 제어를 위한 근전도 신호 측정


도 준 상

[ 학 습 목 차 ]

• 근전도의 원리 및 측정

- 근전도의 원리

- 근전도 신호 측정 및 처리

• 근전도 신호 기반 드론 제어 실험

- 근전도 신호 측정 및 처리 실험

- 근전도 신호 기반 드론 제어

자료준비: POSTECH 정완균 교수 연구실

1. 로봇 원격 제어를 위한 근전도 신호 측정

1) 체표면 근전도 (EMG) 신호의 생성

• 운동 뉴런을 통한 근육 수축 유도

• 근육 수축을 위한 활동전위 (AP) 발생 및 전파

• 중첩된 활동전위의 피부로의 전파

Spinal cord

Motor neuron

Muscle Summation of action potentials

AP 1

AP 2

AP N

Summation


• 신속한 의도 파악

• 직관적인 조작

사용자 의도

근전도 신호

로봇 제어

동작 추정

Learning Command

2) 로봇 원격 제어로의 응용


• 두 측정 부위 사이의 전압 차이 측정

• 차등 증폭기를 이용한 공통모드(노이즈, 오프셋) 제거

Skin

+

- Reference electrode

Active electrodes

Measured signal

Differential Amplifier

Muscle activation

Muscle Bony part

(electrically neutral tissue)

3) 근전도 신호 측정


근전도 측정 신호

•앰프를 통해 검출된 근전도 원신호

전처리 후 신호

•노이즈 제거

추출 신호

•근신호의 특징 추출

4) 근전도 신호 처리


Extension Fly forward

Fly leftward

Fly up

Abduction

Hand close

Fly backward

Fly rightward

Fly down

Adduction

Flexion

Hand open

Human motion Drone motion Feature

from channel 1 Feature

from channel 2 Human motion Drone motion

Feature from channel 1

Feature from channel 2

5) 다양한 동작에 따른 근전도 신호


• 근전도를 활용한 드론 제어

• 손/손목 동작에 대한 신호 분류

• 손 움직임을 통한 직관적 제어

근전도 신호

특징 추출

드론 제어 손/손목

동작 신호 분석

6) 실험 구성


7) 손/손목 동작에 따른 신호 실험 동영상

실험 동영상


8) 손 움직임을 이용한 드론 제어

실험 동영상

생체신호 측정 및 영상 실험

: 빛과 소리로 보는 생체 광음향 의료 영상


도 준 상

[ 학 습 목 차 ]

• 광음향 영상의 원리

- 광음향 현상의 원리

- 광음향 영상의 장점

• 광음향 영상 실습

- 광음향 현미경 장비

- 광음향 현미경을 활용한 생체 영상

자료준비: POSTECH 김철홍 교수 연구실

Q. 왜 의료영상 기술이 중요할까?

A. 병의 증상이나 징후를 환자에게 말로 듣는 것 보다 더 빠르고, 정확한 진단이 가능하다!

현재 사용되는 여러 의료 영상 장치

CT촬영 MRI 촬영

초음파 촬영

1. 빛과 소리로 보는 생체 광음향 의료 영상

1) 의료영상의 중요성

#1

#2 #3

천둥

번개

천둥 번개의 원리: 빛 에너지가 열 에너지로 변화할 때 발생하는 소리

특정한 물질에 빛 (레이저 펄스)을 쏨 → 빛 흡수 → 온도 상승 → 열팽창 현상 → 초음파 발생


2) 광음향 현상

Q. 병원의 초음파 진단 기기의 원리는? A.

초음파를 보내고 받아서 영상을 얻는다!


3) 초음파 영상의 원리

#4 #5

생체 영상

• 생체에 빛 (레이저 펄스)을 쏘면, 광음향 효과에 의해서 초음파가 발생되고 이를 이용하여 영상을 얻는 원리

빛 (레이저 펄스)

수신 초음파

광음향 효과

생체 (ex. 사람의 몸)


4) 광음향 영상의 원리

생체 내부

일반적인 광학 영상 광음향 영상

1 mm

생체 내부

~10 cm

• 안전성

• 기능적이미지

• 안전성

• 깊은 생체 내부영상

물질마다 반사하는 빛이 다르듯이, 물질마다 흡수하는 빛도 다르다

빛을 이용해 얻는 장점 초음파를 이용해 얻는 장점


5) 광음향 영상의 장점

#6

광음향 현미경 ② 초음파를 발생시킨다.

초음파를 받는 장치

레이저

트랜스듀서

① 레이저 발사!

③ 초음파를 읽어 들인다!


6) 광음향 현미경

벚꽃? 불꽃놀이? 수묵화? 나무가 비치는 호수?

귀 혈관 홍채 혈관 다리 혈관 두개골 혈관

Q. 무엇을 찍은 것 일까요?


7) 광음향으로 촬영한 영상

#7

장비 설명 동영상


8) 광음향 현미경 장비 설명


9) 광음향 현미경 영상 시연

자료 출처

#1 초음파 촬영, http://www.freestockphotos.biz/

#2 MRI 촬영, https://www.flickr.com/

#3 CT 촬영, https://pixabay.com/

#4 초음파 촬영 모습, https://en.wikipedia.org/

#5 초음파 촬영의 원리, https://en.wikipedia.org/

#6 다양한 색상, https://pixabay.com/

#7 광음향으로 촬영한 다양한 영상, S.Jeon Unpublished.

https://www.flickr.com/photos/nrcgov/16042442525

3D 프린팅 기반 조직 재생 실험


도 준 상

[ 학 습 목 차 ]

• 인체 장기의 형상을 모사한 생체 구조물 제작

- CAD/CAM을 이용한 의료영상 데이터 전환

- 광조형 기반 3D 프린팅 실습

• 세포 프린팅 기술을 이용한 기능성 생체 구조물 제작

- 세포 프린팅을 위한 장비 이해

- 분사 적층 기반 3D 프린팅 실습

1. 인체 장기의 형상을 모사한 생체구조물 제작

1) Medical data로부터 3D CAD Model 획득

#1


1) Medical data로부터 3D CAD Model 획득


2) 3D CAD Model을 3D 프린팅을 위한 정보로 전환


• 상용화된 3D CAD 모델링 프로그램을 통해 인체 장기의 CAD 모델을 STL (Standard Tessellation Language) 파일로 변환한다.

• STL 파일을 이용하여 인체 장기 형상을 일정 높이를 가지는 단층으로 분할하고, 단면 제작을 위한 성형 정보 (다공성 구조 제작을 위한 선폭 및 선간 간격 등)를 구축한다.

STL 파일 변환 2차원 단면 추출 성형성보 생성


#2






• 실험에 이용될 투영기반 프린팅 시스템의 원리와 구성에 대해서 간단히 설명

Transparent window

Focusing lens

2D pattern generator

Light tunnel

Mirror

Movable platform

UV lamp & Optic fiber

Convex lens

3) 이미지 투영기반 프린팅 시스템


3) 이미지 투영기반 프린팅 시스템

2. 세포 프린팅 기술을 이용한 기능성 생체 구조물 제작

• 인체 내 대부분의 조직은 두 종류 이상의 세포가 특정 위치에 배열되어 있어 각자 세포 자신의 기능을 수행하고 주변 세포와 상호작용을 함으로써 그 형태와 기능을 유지한다.

1) 3D 세포 프린팅의 필요성

#3 #4

#5

• 세포를 생체재료와 함께 프린팅하는 공정에 대해서 간단히 설명


2) 세포 프린팅 공정


• 동시 제어가 가능한 multi-head system:

다양한 열가소성 수지 및 바이오잉크 소재의

동시 프린팅 가능

• 멸균 환경 조성: 외부 오염 공기 차단 및

공기 정화 시스템

• 바이오잉크 및 세포생존성 보장을 위한

프린팅 환경 조성: 냉각시스템 및 습도 조절

3) 3D 세포 프린팅 시스템


Humidifier

Peltier system

Peltier system

Water cooler

Peltier system and humidifier in MtoBS for 3D cell printing Clean air workstation



• 열가소성 생체재료, 바이오잉크 A 및 B를 각각의 시린지에 탑재하고, 이들의 분사

를 위한 오도 및 공압을 설정한다.

• 미리 구축된 성형정보 파일을 프린팅 시스템에 적용하여, 열가소성 수지로 제작된

틀 내부에 아래 그림과 같이 두 가지 종류의 세포를 구분하여 프린팅해 본다.

첫 번째 패턴 두 번째 패턴 세 번째 패턴 네 번째 패턴

세포 A가 포함된 바이오잉크 A

세포 B가 포함된 바이오잉크 B



Head for Bioink A

Head for synthetic polymer

Head for Bioink B 1st layer 2nd layer 3rd layer 4th layer


자료 출처

#1 3차원 영상과 3D 프린팅을 사용한 조직 재생, 박정훈 외, Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol.38, 2014.

#2 STL 파일 생성 과정, 박정훈 외, Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol.38, 2014.

#3 피부 조직, https://en.wikipedia.org/

#4 심장 조직, https://en.wikipedia.org/

#5 위장 조직, https://en.wikipedia.org/

https://en.wikipedia.org/wiki/Dermis

https://en.wikipedia.org/wiki/Endocardium

자연모사 실험

: 연잎구조모사를 이용한 물의 젖음 특성 제어


도 준 상

[ 학 습 목 차 ]

• 연잎의 미세구조 및 물의 젖음 특성

- 연잎 효과

- 표면의 미세구조와 물의 젖음 특성

- 연잎 구조 모사 표면 제작 및 젖음 특성 실험

• 연잎 구조 모사 표면의 응용

- 투명한 자기 세정 표면

- 고효율 냉장고

- 유수분리 필터 자료준비: POSTECH 황운봉 교수 연구실

연잎의 자정효과 • 연잎 위의 물방울이 굴러 떨어질 때, 묻어 있던 먼지와 함께

떨어지면서 먼지가 닦이는 현상

연잎 효과: 극소수성에 의한 표면의 자정효과

연잎 효과 메커니즘

극소수성 특성을 가지는 연잎 • 미세한 돌기 구조 + 소수성 왁스 → 극소수성 표면!

50 m

연잎의 표면 구조

1. 연잎구조모사를 이용한 물의 젖음 특성 제어

1) 연잎 효과

표면 재질과 젖음성

• 친수성: 고체 표면이 물과 친하여 물방울이 퍼짐

• 소수성: 고체 표면이 물을 싫어하여 물방울이 응집됨

• 접촉각: 물방울이 고체표면과 이루는 각도

표면 구조와 젖음성

• 표면의 나노/마이크로 구조는 젖음성을 강화함

• 나노/마이크로 구조에 의해 극친수성과 극소수성이 나타남

0°

10°

90°

150°

180°

극친수성

친수성

소수성

극소수성

유리

연잎


2) 표면과 물의 젖음 특성

제작 방법 및 표면 구조 직류전원공급장치

알루미늄(양극)

백금(음극)

항온비커

교반기

항온순환수조

알루미늄

양극산화

소수성 코팅

산화알루미늄

소수성 코팅 층

(1) 극친수성 표면 제작

알루미늄

(2) 극소수성 표면 제작

<실험장치> <표면 제작 과정>


3) 알루미늄 양극 산화를 이용한 연잎 구조 모사 표면 제작

표면 구조 극친수성 표면 극소수성 표면

1 μm

10 μm


4) 연잎 구조 모사 표면 젖음 특성 실험

• 나노미터 크기의 소수성 돌기를 이용하여 투명한 극소수성 표면 제작

• 응용: 빗방울이 잘 흘러내리고 이물질이 동시에 제거되어 와이퍼가 필요 없는 차량용 유리창, 청소를 하지 않아도 깨끗한 창문에 적용 가능

소수성 나노 돌기를 이용한 투명한 자가세정 표면 일반 유리 극소수성 자가세정 표면


5) 연잎 구조 모사 표면의 응용: 투명한 자기 세정 표면

압축기

응축기

팽창 밸브

증발기

압축기

응축기

팽창 밸브 증발기

열

열

열

냉매의 흐름

• 냉장고의 냉매가 압축기 → 응축기 → 팽창밸브 → 증발기 → 압축기를 순환하면서 상태변화에 의해 열을 흡수, 방출하여 냉장고 내부를 냉각 시킴

① 압축기: 기체 냉매를 고온, 고압으로 압축

② 응축기: 열을 방출하여 액화됨

③ 팽창 밸브: 압력이 낮아짐

④ 증발기: 저온, 저압 액체 냉매가 기화하면서

열을 빼앗아 냉장고 내부를 냉각시킴


6) 연잎 구조 모사 표면의 응용: 고효율 냉장고

• 냉장고 문을 열 때 외부에서 들어오는 따뜻한 공기에는 수분이 많이 포함됨

• 수분에 의해 증발기 표면에 성에가 생성되면 열전도율이 낮아져 냉각효율이 저하됨

• 응용: 증발기 표면을 극소수성으로 제작하면 성에 생성이 지연되며, 생성된 성에가 쉽게 제거되어 냉장고의 효율을 향상 시킬 수 있음

성에가 생성된 냉장고 증발기 극소수성 표면 증발기


6) 연잎 구조 모사 표면의 응용: 고효율 냉장고

• 해상 선박 사고 발생시 해상 유출유 제거가 어려움

• 물과 기름의 표면장력 차이를 이용하여 물과 기름의 선택적 분리가 가능

• 응용: 물/기름이 쉽게 분리되는 필터, 해상 유출유의 확산 방지 및 수거 장치

물

물 기름

기름

극소수성 필터 극친수성 필터

필터

#1

선박 유출 사고†


7) 연잎 구조 모사 표면의 응용: 유수분리 필터

극소수성 필터를 이용한 휘발유와 물의 분리

극친수성 필터를 이용한 휘발유와 물의 분리

(파란색: 물, 노란색: 휘발유)

극친수성 알루미늄 필터

극소수성 알루미늄 필터

필터

O링

깔때기

클램프

실험장치 구성


7) 연잎 구조 모사 표면의 응용: 유수분리 필터

자료 출처

#1 선박의 기름 유출 사고, https://en.wikipedia.org/

자연모사 실험

: 식물모사를 이용한 구동장치


도 준 상

• 솔방울의 동적 거동 모사 구동기

- 솔방울의 구조 및 동적 거동

- 솔방울 모사 구동기 설계 및 제작

- 솔방울 모사 구동기 시연

• 식물 잎의 증산작용을 모사한 수력펌프

- 식물의 증산작용의 원리

- 기공 모사막 제작 및 가동

- 증산작용 모사 펌프 제작 및 가동

[ 학 습 목 차 ]

자료준비: POSTECH 이상준 교수 연구실

• 소나무 씨앗은 솔방울 내에서 수정되어 생성됨

• 솔방울 껍질(scale)위에 형성된 씨앗은 바람을 타고 날아감

• 작고 가벼운 소나무 씨앗은 날개를 이용하여 바람을 타고 멀리 날아감 → 개체를 멀리 퍼뜨리고, 개체간의 경쟁을 최소화 함

날개

솔방울 소나무 씨앗

1. 식물모사를 이용한 구동장치

1) 솔방울과 소나무 씨앗

습도에 민감한 소나무 씨앗의 비행

• 건조한 날: 소나무 씨앗이 바람을 타고 멀리 날아갈 수 있음

• 습한 날: 소나무 씨앗이 젖어 멀리 날아가지 못함

수분

수분에 의한 솔방울 움직임 제어

• 건조한 날: 솔방울을 열어 씨앗이 멀리 퍼지도록 함

• 습한 날: 솔방울을 닫아 씨앗이 퍼지는 것을 막음


2) 수분에 의한 솔방울의 움직임

#1

• 솔방울은 죽은 세포로 구성되어 있기 때문에 구조적 변형에 기인하여 움직인다.

• 껍질(scale)을 구성하고 있는 포린과 섬유는 물에 젖었을 때 구조적 차이로 인해 각기 다른 방향으로 팽창하게 되고 이는 동적 거동을 유도한다.

수분

포린

섬유

포린:전방향으로 잘 팽창

서로 다른 팽창 정도가 동적 거동을 유도함

섬유:한 방향으로 제한적 팽창


3) 수분에 의한 솔방울의 움직임의 원리

#2

제작공정 개요도

① 가열에 반응하여 수축 정도가 서로 다른 물질을 준비한다.

- 다공성의 구조는 가지고 있던 더 많이 수축할 수 있으며

빽빽한 구조는 구조를 유지하며 덜 수축하게 된다.

② 두 물질을 연결하여 이중층 구조를 구성한다.

③ 가열하여 반응을 유도한다.

결과

• 더 많이 수축하는 층이 축처럼 층을 지지하고 덜 수축하는

층이 이를 따라 구부러지며 동적 거동이 유도된다.


4) 솔방울 모사 구동기 제작

구동층만으로 이루어진 구동기

• 이점 : 관절이나 동력구조와 같은 특별한 구조 없이도 간단하게 움직임을 유도하고 조절하는 것 가능

• 응용 분야 : 에너지 수확 기술 개발이나 외부 전원이 필요 없는 원동기 등에 응용 가능

솔방울 모사 구동기


5) 솔방울 모사 구동기 작동

• 증산작용: 식물이 뿌리를 통해 흡수한 물을 식물 잎의 기공을 통해 대기로 내보내는 과정

• 증산작용의 기능

• 뿌리를 통한 물과 무기물의 흡수 촉진

• 식물의 온도 조절


6) 증산작용

#3

• 기공: 온도, 습도, 광량, CO2 농도 등에 반응해 기공을 개폐하여 물의 증발량을 조절함

• 엽육세포층: 다공성 친수성 재질로 수분 이송 및 저장에 용이함

증산작용의 조절

• 잎: 수력 펌프. 물의 증발에 의한 -2MPa의 강한 음압 형성

• 기공: 수력 밸브. 개폐를 통하여 증발량 조절

엽육세포

(Mesophyll

cells)

기공 (Stoma) 20 μm

기공

증산작용 조절의 중요 요소


7) 증산작용의 원리

#4

• 펌프 표면에서의 증발 현상이 물을 끌어 올리는 동력원으로 작용한다.

• 외부의 동력 공급 없이도 지속적인 펌핑을 통한 유체 수송이 가능하다.

• 온도에 반응하여 작동하는 기공 모사한 개폐장치를 이용하여 공급되는 물의 양을 조절할 수 있다.

• 휴대용 약물 전달 펌프로 활용 가능!

식물 잎의 생체 모방 펌프

엽육 세포 모사 수화젤

기공 모사 막

낮은 온도

높은 온도

• 잎 모방 펌프는 기공을 모사한 막과 엽육 세포를 생체 모사한 수화젤로 이루어져 있다.

증발 펌핑


8) 증산작용 모사 펌프

온도 반응성 고분자 수화젤

1 mm

가열

냉각

수화 상태 탈수 상태

• 포토마스크로 원하는 부분을 가린 후 자외선을 노광시키면 노광된 부분에만 중합반응이 일어나 고분자 막을 형성한다.

• 특정 온도 (33℃) 이상으로 가열하면 막을 구성하는 고분자로부터 물 분자가 빠져나오면서 기공이 열린다.

광중합 반응을 이용한 기공 모사막 제작

온도에 반응하는 기공 모사막 작동

1 mm

인공 기공

1 mm

포토마스크

UV 선 노광

고분자 막 형성

포토마스크

디쉬

단량체 가교제 포토개시제

유리기


9) 기공 모사 막 제작 및 작동

#5

• 펌프에서 증발이 일어나면 작동유체가 펌프 쪽으로 이송된다.

• 상온 (25℃)에서 양쪽으로 동일한 양의 물이 수송된다.

• 펌프를 가열하면 기공 모사막이 설치된 펌프 쪽의 물 흐름이 일시적으로 멈춘다.

• 이 때 두 가지 액체가 모두 기공 모사막이 없는 쪽으로 흐른다.

기공 모사막 無

기공 모사막 有

25 ℃ 가열 45 ℃


10) 증산작용 모사 펌프

자료 출처

#1 습도에 따른 솔방을의 열림과 닫힘, Song et al. Sci. Rep. 5:09963 (2015).

#2 솔방울 단면 사진, Burgert & Fratzl. Philos Trans A Math Phys Eng Sci. 367:1893 (2009).

#3 식물 내부의 물의 이동, https://commons.wikimedia.org/

#4 광학 현미경 사진- 식물 잎의 기공, S. J. Lee et al., Microfluidic. Nanofluidic. (2015)

#5 3차원 현미경 사진- 기공 모사막, H. Kim, and S. J. Lee., Adv. Funct. Mater. (2015)

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Transpiration_Overview.svg

Documents

생체기계공학€¦ · 천둥 번개 천둥 번개의 원리: 빛 에너지가 열 에너지로 변화할 때 발생하는 소리 특정한 물질에 빛 (레이저 펄스)을