미래형 바이오닉 팔, 절단 장애인이 촉각과 움직임을 느끼도록 돕다
루크 스카이워커처럼 팔을 교체할 수 있는 미래에 대한 꿈은 공상과학 이야기 이상입니다. 과학자들은 상지 절단 후 상실된 생생한 감각을 되살리기 위해 초소형 로봇의 도움을 받는 “바이오닉 팔”을 개발했습니다. 로봇은 절단 부위의 근육을 안전하게 진동시켜 이 감각을 구현합니다.
Grand View Research의 2021년 보고서 에 따르면 2028년까지 전 세계 의수·보조기 시장의 규모는 80억 달러를 넘을 것으로 예상되지만, 인공 팔다리에는 심각한 걸림돌이 있습니다. 주먹을 쥐고 펴는 것처럼 일상생활을 돕는 많은 직관적 감각을 전달하지 못한다는 점입니다.
클리블랜드 클리닉 레너 의과대학 생체의공학 부교수이자 새로운 바이오닉 팔 연구의 주요 저자로, Science Robotics에 논문을 발표한 폴 마라스코는 “우리는 여전히 2차 세계대전 때 정점에 달했던 기술을 사용하고 있습니다”라고 말했습니다.
이제 로봇 공학계는 금속과 사실적인 피부 색조가 결합된 바이오닉 팔에 주목하고 있습니다. 유명 사이버펑크 게임 Deus Ex와 Metal Gear Solid를 만든 개발진 등 바이오닉 팔을 연구하는 다른 팀도 있지만, 마라스코는 자신이 개발한 버전의 여러 장점을 강조합니다.
이 공상과학적 장치는 표준 성냥갑 절반 크기의 강력한 로봇을 이용해 정보를 뇌로 전달하고 뇌로부터 받습니다. 생각을 행동으로 바꾸는 동시에 팔은 뇌와 직접 접촉해 의도된 동작에 맞는 감각을 전달할 수 있습니다.
이 새로운 인공 팔다리는 실시간으로 기존 의수 대비 장점을 보여주는 첫 번째 바이오닉 팔입니다. 예를 들어 자연스러운 팔의 역학을 충분히 정확하게 재현해, 이를 사용하는 절단 장애인에게 무의식적 반사 행동을 회복시킵니다.
우리는 매일 이런 반사 행동에 의존합니다. 예를 들어 커피잔을 집을 때 손은 탁자 위의 잔을 찾아 적절한 세기로 손잡이를 쥐고, 쏟지 않도록 완벽한 타이밍에 놓습니다. 아무리 정신없는 아침이라도 우리는 생각하지 않고 이 동작을 해내는데, 손 근육의 신경이 “이 커피를 마셔야 해”라는 선택에 자동으로 반응하기 때문입니다.
기존 의수는 이런 부드러운 동작을 재현하지 못합니다. 수동으로 작동하기 때문에 사용자는 계속 의수를 주시하며, 건강한 사람이라면 보통 직관에 맡기는 일들까지 신경 써야 합니다.
두 명의 피험자에게 기기를 테스트하고 전례 없는 분석 도구를 사용한 연구팀은, 피험자들이 절단 전의 반사적 행동을 되찾았다는 사실에 고무되었습니다. 여기에는 직관적인 쥐기와 자연스러운 눈 움직임이 포함되었고, 그들은 시선을 팔에서 멀리 돌려 집중할 수 있었습니다.
금속 팔은 세 가지 구성 요소를 필요로 합니다. 신경 말단의 재배치, 제어 센터 역할을 하는 초소형 로봇, 그리고 바이오닉 팔 자체입니다. 주목할 점은 수술 과정에서 절단 장애인의 건강한 팔 부위에 있는 사용되지 않는 신경 말단, 즉 손가락 끝처럼 멀리 떨어진 부위에 쓰이던 신경들이 절단 부위에 “삽입”된다는 것입니다.
마라스코는 이렇게 설명합니다. “뇌는 손가락이 근육과 연결되어 있다는 것을 알고 있지만, 그 근육이 어깨에 있는지 팔뚝에 있는지는 모릅니다.” 바이오닉 팔은 절단 부위에 장착되고, 초소형 로봇은 소켓에 삽입됩니다. 이 로봇들은 환자가 팔을 만질 때 이제 연결된 신경 말단을 자극하는 해당 부위를 누릅니다.
근육에 힘을 주면 복잡한 팔 동작에 대한 지각 착각 같은 흥미로운 현상도 느낄 수 있습니다. 연구진은 처음부터 시작하는 대신 기성 인공 팔다리를 개조했습니다. 이는 기기를 재활 클리닉에 빠르게 공급하고 기존 의수보다 비용 효율을 높이려는 목적이었습니다. 덜 발전된 의수를 사용하는 사람들은 흔히 절단되지 않은 쪽 신체를 과도하게 사용하는데, 이는 결국 값비싼 치료가 필요한 등이나 어깨 문제로 이어집니다.
“이런 첨단 시스템은 처음에는 비싸 보이지만, 사용해 보면 계속 신경 쓸 필요가 없으므로 오히려 해가 되지 않습니다. 앞으로 바이오닉 의수는 더 저렴해질 것입니다”
연구 논문에는 이렇게 적혀 있습니다. “바이오닉 의수는 기능 회복의 잠재력을 가지고 있습니다. 그러나 인간 상지 기능의 특징인 직관적 운동 제어와 촉각 사이의 복잡한 상호작용은 아직 밝혀지지 않았습니다. 여기서 우리는 촉각, 쥐기 운동감각, 직관적 모터 제어의 신경 바이오닉 결합이 작업 능력에 따라 계층화되고, 표준 의수 사용자와 구별되는 행동 특성의 향상을 이끈다는 것을 보여줍니다.”
