로봇 면봉 채취기, 의료진 감염 위험 줄일 수 있다
더 덜 불쾌한 방법을 찾기 전까지, 현재 존재하는 COVID-19 바이러스 감염 여부를 확인하는 가장 신뢰할 만한 방법은 점막에서 시료를 채취하는 불편한 과정을 거치는 것입니다. PCR 검사 과정을 좋아하는 사람은 거의 없습니다.
코를 통하든 목 깊숙이 찔러 넣든, 환자가 자신도 모르게 간호사를 밀어내려 할 정도로 고통스러운 이 과정은 환자에게 즐겁지 않을 뿐 아니라, 특히 COVID-19 보유 가능성이 실제로 있는 끈적한 점액을 팔꿈치까지 묻혀가며 작업해야 하는 의료진에게는 더더욱 유쾌하지 않습니다.
인두 면봉 채취는 지루하고, 더럽고, 동시에 위험한 작업입니다. 따라서 이 로봇이 그 순간 사람의 어떤 물리적 힘도 피할 수 있다면, 이는 로봇에게 완벽한 과제입니다.
IEEE Robotics and Automation Letters에 발표된 논문에서 선전 사회를 위한 인공지능·로봇 연구소의 연구진은 채취 과정에서 의료진의 안전을 보호하고, 그들의 시간을 더 유익하고 덜 거친 일에 쓸 수 있도록 설계된 로봇을 선보였습니다. 솔직히 말해, 이 시료 채취를 좋아하는 사람은 아무도 없습니다.
«COVID-19 유행으로 전 세계에서 사망과 질병이 발생했습니다. 인두 면봉 채취는 여러 국가에서 COVID-19 진단에 널리 사용되고 있습니다. 의료진이 바이러스에 노출되는 것을 막기 위해, 우리는 9자유도(DOF)를 갖춘 강성-연성 커플링(RFC) 로봇을 개발했습니다. 이 로봇은 면봉 채취를 돕는 시각 시스템, UR5 매니퓰레이터, 마이크로 공압 구동기 및 힘 측정 시스템으로 구성됩니다»라고 연구에서 밝혔습니다.
연구진은 인간의 목이 연약하고 쉽게 다칠 수 있다고 지적합니다. 단단한 하우징 구조를 기반으로 설계된 말단 effector는 잘못 작동하면 구강에 물리적 손상을 일으킬 수 있습니다. 이러한 위험을 다소 줄이기 위해, 이 시스템은 UR5 로봇팔에 일회용 연성 마이크로 공압 구동기를 결합했습니다. 이 구동기는 목에서 실제로 면봉을 채취하는 동작을 맡고, 힘 센서와 연결되며, 어디를 눌러야 할지 판단하는 시각 센서가 함께 작동합니다.
영상에서는 구동기에 과도한 힘이 가해지면 로봇이 움직임을 멈추며, 실제 자원봉사자에게 안전하게 시료를 채취하는 데 문제가 없음을 보여줍니다.
이 시스템에서 우려되는 점은, 설계상 환자의 뒷머리가 UR5의 작업 공간 안에 있거나, 적어도 팔에 부착된 단단한 부품이 닿는 범위 안에 놓이는 것으로 보인다는 것입니다.
변형되는 구동기 뒤에는 변형되지 않는 선형 구동기가 있으며, 이를 초당 180도로 움직일 수 있는 강력한 관절형 로봇팔이 지지합니다. 물론 팔이 무언가에 부딪히면 움직임을 멈추게 하는 힘 감지 기능이 포함되어 있지만, 이것은 소프트웨어 기능이죠?
팔, 선형 구동기 및 기타 모든 단단한 부품이 물리적으로 해를 끼칠 수 없도록 배치된 시스템이라면 환자들이 더 안심할 수 있을 것입니다. 예를 들어 시스템이 환자에게 닿았다가 빠져나가는 대신, 사람이 시스템과의 거리에 맞춰 스스로 조정할 수 있도록 장치를 설치하는 방식입니다.
연구진은 «기계적(제한된) 구현이 일반적으로 개방형 최소침습 수술에 더 안전하다»는 점을 인정하면서도, 소프트웨어 기반 안전 장치가 더 저렴하고 편리하다고 봅니다. 다만 그만큼 덜 안전할 수 있습니다.
공정하게 말하면, 여기서 첫 단계는 시스템이 시료를 안정적으로 채취할 수 있는지 확인하는 것입니다. 그렇지 못하다면 애초에 걱정할 이유도 없으니까요. 시료 채취 방법의 효과를 검증하기 위해 (COVID가 아닌 기준 유전자를 이용한) PCR 검사를 진행한 결과, 로봇이 채취한 시료는 전문 의료인이 채취한 시료와 동등한 품질로 확인되었습니다. 이후 연구진은 «시스템의 신뢰성을 높이고 임상 시험 단계로 나아가는 것»을 계획하고 있습니다.
이 로봇은 위험을 줄이고, 의료진을 장시간 반복되는 시료 채취 작업에서 해방시킬 것으로 기대됩니다. 연구진이 개발한 힘에 민감한 장치는 단단한 채취 로봇에 비해 더 안전하고 부드러운 방식으로 면봉 채취 절차를 단순화할 수 있습니다. 또한 9자유도 여분 매니퓰레이터의 움직임을 계획하기 위해, 가변 매개변수를 0으로 만드는 신경망 기반 최적화 방법도 함께 제안되었습니다.
개발된 로봇 시스템은 구강 모형과 자원봉사자 모두에게 면봉 채취를 시험하여 검증되었습니다. 모형과 자원봉사자에 대한 평균 채취 시간은 각각 18초와 20초였습니다. 환자 간 손과 말단 effector의 무균 상태를 유지하기 위해, 마이크로 공압 구동기는 일회용 장치로 제작되어 빠르게 분리되는 커넥터를 갖추었으며, 일회용 보호 필름이 부착되는 위치에서 쉽게 교체할 수 있습니다.
