로봇 의족 제어할 신기술 나왔다… “하지 절단 환자 삶의 질 높일 것”

DGIST 연구진, 전자공학 분야 학술지에 연구 발표

이상훈 대구경북과학기술원(DGIST) 로봇및기계전자공학과 교수 연구진이 연구 내용을 논의하고 있다./대구경북과학기술원(DGIST)

국내 연구진이 하지 절단환자의 의도에 맞게 로봇 의족을 제어할 수 있는 센서를 개발했다.

대구경북과학기술원(DGIST)은 이상훈 로봇및기계전자공학과 교수 연구진이 서울아산병원 성형외과팀, 휴고다이나믹스와 함께 무감각성 표면 근전도 센서를 개발했다고 8일 밝혔다. 연구 결과는 재료과학 융합연구 분야의 우수 학술지인 ‘엔피제이 플렉서블 일렉트로닉스(npj Flexible Electronics)’에 지난달 25일 게재됐다.

최근 당뇨와 같은 성인병이 증가하면서 사고에 의한 하지 절단뿐만 아니라 당뇨로 인한 하지 절단 환자의 수가 급증하고 있다. 하지 절단이라는 영구적 장애는 물리적인 장애와 더불어 신체 상실에 따른 심리적 장애가 동반될 수 있다는 문제가 존재한다. 이를 해결하기 위해 잃어버린 다리를 로봇으로 대체하는 바이오닉 하지 기술이 개발되고 있다.

로봇 의족 개발을 위해 가장 중요한 점은 절단 환자의 의도에 맞게 하지 기능이 안정적으로 구현되어야 한다는 점이다. 따라서 환자의 생체 신호를 신속하고 정확하게 획득할 수 있어야 한다. 가장 적합한 방법으로 비침습적인 표면 근전도 센서를 활용하는 방법이 있지만 실제로 활용하기는 어렵다. 근전도 신호 기록을 위해서는 센서가 소켓 내부 실리콘 라이너 안에 위치해야 하지만, 실리콘 라이너의 매우 좁고 습한 환경 그리고 로봇 의족의 무게와 함께 역동적인 움직임이 강하게 전달되는 소켓의 영향으로 센서의 손상 없이 장기간 근육의 생체 신호를 안정적으로 기록할 수 없기 때문이다.

이에 연구진은 미세 전자 제어 기술을 통해 형성되는 생체인터페이스인 ‘무감각성 표면 근전도 센서’를 개발했다. 연구팀이 개발한 무감각성 표면 근전도 센서는 구불구불한 서펜타인(serpentine) 구조를 모방해 유연성과 신축성은 물론 통기성과 접착성을 확보했다. 다양한 절단환자의 환부에 적용해 장기간 반복적으로 사용할 수 있다. 또 무선 모듈과 결합해 로봇 의수족과 소켓, 실리콘 라이너를 착용한 상태로 보행 시 발생하는 실시간 신호를 확보했다.

연구진은 검증을 위해 하지 절단환자에게 무감각성 표면 근전도센서를 부착한 후 근육 신호 기록을 통한 소자의 기능성 평가를 진행했다. 그 결과 평지나 경사면, 계단 등 다양한 환경에서 보행하는 절단환자의 근육 신호를 고품질로 실시간 획득에 성공했다. 이를 무선 전송하여 로봇 의족에 내장된 동작 분석 센서를 통해 환자의 보행 보조가 가능함을 확인했다.

절단 환자의 발바닥쪽 굽힘 운동과 발등 굽힘 운동에서 발생한 근육 신호를 분석해 무감각성 표면 근전도 센서의 선택적 신호 획득 성능이 상업용 표면 근전도 센서보다 뛰어남을 확인했다. 연구진은 신체 신호를 활용한 로봇 의수족의 정밀 제어 외에도 다양한 웨어러블 응용 기술에 개발한 기술을 활용할 수 있을 것으로 기대한다고 전했다.

연구를 이끈 이상훈 교수는 “해외뿐만 아니라 국내에도 생각보다 절단 환자가 많지만, 사용자의 의지가 반영되어 제어가 가능한 의족이 없어 일상생활에 제한이 많은 것으로 알고 있다”며 “이번 연구 결과를 바탕으로 연구에 더욱 매진해 향후 인체의 사지와 같은 감각과 운동 기능을 구현할 수 있는 바이오닉 사지(Bionic limbs)를 개발해 절단 환자들도 모든 일상생활을 누릴 수 있게 만들고 싶다”고 밝혔다.

참고 자료

npj Flexible Electronics(2023), DOI: https://doi.org/10.1038/s41528-023-00282-z

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