MIT 개발 - 촉각 피드백이 가능한 새로운 팽창식 의수 ! (Feat. 저렴한 가격)

안녕하세요. 저는 보조기, 웨어러블 로봇, 로봇 재활치료 등에 관심이 많은 편입니다. 

기사를 접한것은 8월쯤인데, 소개가 늦었습니다. 이미 내용을 들어보신 분들도 있으실것 같습니다 ^^;

 

불의의 사고로 팔이나 다리를 절단한 경우 미용적 목적 혹은 기능적 목적을 위해 의지(artifical limb, prosthesis)를 사용하게 됩니다. 팔의 경우 의수, 다리의 경우 의족으로 나누어 부르기도 합니다. 예전에는 마네킹 처럼 뻣뻣해보이고 기능적인 효용성도 떨어지는 의수들이 있었는데, 최근에는 다양한 의지들이 개발되고 있습니다. 

 

하지만 고도의 기술력을 필요로 할수록 가격도 올라가기 마련이라 대개 고급 제품의 경우 몇천만원을 호가하기도 합니다. 또한 구동을 위한 전기모터, 견고함을 위한 금속 소재 사용 등으로 무게도 대개 무거워집니다.

 

 

1. 제품 개발 및 소개

 

MIT 와 상하이 교통대학교의 공학자들이 부드럽고, 가볍고, 촉각 피드백이 가능하며 가격도 싼 신경의지 (neuroprosthesis)를 개발하였다고 합니다. 부드러우면서도 외력이 작용했을 경우 회복되는 내구성과 탄력성이 있으며 220그램 정도의 무게밖에 나가지 않으며, 또한 가격도 500달러 (약 60만원) 정도로 저렴합니다.

 

MIT 연구팀의 Xuanhe Zhao 교수는 '이것은 아직 상용화된 제품은 아닙니다. 하지만 퍼포먼스 측면에서 이미 기존의 신경의지와 유사하거나 더 우위에 있습니다. 절단 후 어려움을 겪는 저소득층을 위해 이 부드러운 의지를 매우 낮은 가격으로 만들수 있는 큰 가능성이 있습니다' 라고 인터뷰에 밝혔습니다.

 

부드럽고, 신축성이 있는 EcoFlex라는 소재로 만들어졌으며, 5개의 풍선같은 손가락을 포함하며 각각의 손가락은 실제 손가락에 있는 뼈와 유사하게 섬유 세그먼트에 내장되어 있습니다. 구부러지는 손가락들은 3D 프린팅된 손바닥에 연결되어 사람의 손과 유사한 모양을 띠게 됩니다.

(저도 기사를 통해 접해보기만 하고 실제 사용하시는 환자분을 본적은 없지만 국내에도 3D프린터를 이용하여 근전도 구동방식의 기능성 의수를 저렴하게 제작하시는 주식회사 '만드로'의 이상호 대표님이 있습니다.)

 

대부분의 신경의지처럼 장착된 전기모터를 사용하여 각각의 손가락을 제어하는 대신, 연구자들은 간단한 공압 시스템 (pneumatic system)을 사용하여 손가락을 정밀하게 팽창시키고 특정한 위치로 구부리는 방식을 채택했습니다. 작은 펌프와 밸브를 포함하는 이 시스템은 허리에 착용할 수 있어 의지의 무게를 크게 줄일 수 있었습니다.

 

공압 시스템은 근전도 센서로부터 신호를 받는데, 이 센서들은 근육을 조절하기 위해 운동뉴런에서 생성하는 전기 신호를 측정합니다. 센서들은 의지가 사용자의 팔에 부착되는 위치인 개구부에 장착되고, 이 배열에서 센서들은 사용자가 주먹을 쥐는 것을 상상할 때 잔여지(residual limb)로부터의 신호를 픽업합니다.

 

그런 다음 연구팀은 근육 신호를 “디코딩”하고 일반적인 잡기 유형 (grasp type)과 연관시키기 위해 공압 시스템 조절기를 프로그래밍 했습니다. 예를 들어, 사용자가 와인 잔을 들고 있다고 상상할 때 센서들은 잔여지의 신호를 픽업하고 조절기가 신호에 상응하는 압력으로 변환합니다. 그런 다음 펌프는 이 압력으로 각각의 손가락을 팽창시키고 사용자가 의도한 잡기 자세를 만듭니다.

 

한걸음 더 나아가, 연구팀은 대부분의 시판되는 신경의지에서 포함되지 않았던 기능인 촉각 피드백을 구현했습니다. 이를 위해, 각 손가락 끝에 압력 센서를 붙여서, 센서가 터치되거나 눌려서 압착되면 감지된 압력에 비례하는 전기 신호를 생성하도록 하였습니다. 각각의 센서는 사용자의 잔여지의 특정 부분에 연결되어 사용자는 의지의 엄지손가락이 눌릴 때 손가락와 같은 “느낌”을 느낄수 있다.

 

아래는 제품 소개 동영상 입니다.

 

 

2. 제품 테스트 결과

 

두 명의 참여자를 모집한 후 15분간 반복적으로 사용법을 훈련하였습니다.

 

그 후 체커를 쌓고, 페이지를 넘기고, 펜으로 글씨를 쓰고, 무거운 공을 들어올리고, 딸기나 빵과 같은 부서지기 쉬운 물건을 집어 드는 것 등 다양한 테스트를 시행하였습니다. 동일한 테스트를 보다 딱딱한 재질의 시판되고 있는 의수를 사용하여 반복하였고, 이번에 개발한 팽창식 의수가 대부분의 테스트에서 단단한 의수와 비교하였을 때 비슷하거나 더 뛰어난 것을 발견했습니다.

 

한 참여자는 부드러운 의수를 크래커, 케이크, 사과와 같은 음식을 먹거나 노트북, 병, 망치, 펜치와 같은 물건과 도구를 다루는 일상적인 활동에 직관적으로 사용할 수 있었습니다. 이 참여자는 또한 다른사람의 손을 흔들거나, 꽃을 만지거나, 고양이를 쓰다듬는 등의 활동을 안전하게 수행할 수 있었습니다.

 

특히, 연구자들은 참여자를 눈가리개로 가리고 의수의 손가락을 쿡 찌르거나 솔질을 했을 때 참여자가 어떤 손가락인지 분별할 수 있다는 것을 발견했습니다. 연구팀은 이 실험을 절단 환자가 팽창식 의수로 감각을 느낄 수 있으며 느낌 가각에 대해 실시간 제어를 할 수 있는 유망한 신호로 보았습니다.

 

연구팀은 MIT를 통해 설계에 대한 특허를 출원했으며, 감각과 가동범위를 개선하기 위해 추가 연구를 시행하고 있다고 합니다. 

 

전체 환자수 대비 절단 환자수가 아주 큰 비중을 차지하지는 않습니다. 그리고 이번 글에서 소개해드린 내용이 주로 공학적인 부분이라 딱딱해서 크게 와닿지 않는 분들도 많으실것 같습니다. 하지만 일상생활에서 손을 못쓴다는 것은 매우 큰 어려움을 초래하게 됩니다. 기술의 발전으로 좋은 제품을 보다 많은 사람들이 쓸 수 있게 되면 좋겠습니다. 감사합니다~