팔 의수 알아보기: 종류, 작동 원리, 단점
공상과학에서는 의수가 매우 자주 등장하며, 대개 우리의 생체 팔보다 훨씬 뛰어난 장치로 화려하게 묘사됩니다. 하지만 이는 흔한 오해입니다. 현재 현실 세계에 존재하는 의수는 실제 팔을 대신하기에는 거리가 멉니다. 대부분은 단순한 동작을 위한 도구에 가깝습니다.
의수가 실제로 무엇을 할 수 있는지, 시장에 어떤 제품이 있으며 어떤 어려움이 있는지 알아보기 전에, 손가락, 손목, 전완, 상완 등 절단의 종류를 이해할 필요가 있습니다. 절단 부위에 따라 적합한 의수가 달라집니다. 손가락을 잃은 경우는 대체하기가 가장 쉽지만, 전완을 절단한 경우에는 심각한 문제가 시작됩니다.
의수를 착용하게 되는 계기는 사고나 기타 사건으로 사지를 절단한 경우뿐만 아니라, 손의 일부가 변형되는 다양한 선천적 돌연변이인 경우도 있습니다. 현재 주요 의수는 세 가지 유형이 있습니다:
- 견인식(기계식)
- 생체전기식(생체전기 센서를 기반으로 작동하며 가장 진보된 형태)
- 미용용
미용용 의수의 의미는 이름에 담겨 있습니다. 절단 부위를 덜 눈에 띄게 할 뿐, 어떤 기능도 제공하지 않습니다. 미용용 의수를 착용한 환자는 기껏해야 무언가를 받칠 수 있을 뿐, 일상의 정상적인 동작은 거의 할 수 없습니다.
기계식 의수
견인식 또는 기계식 의수는 독일인 괴츠 폰 베를리힝엔의 강철 팔에서 시작되었습니다. 기능은 제한적이었지만 물건을 쥐고, 펜으로 글씨를 쓰는 것도 가능했을 것입니다. 장치는 손등에 위치한 버튼으로 조작해야 했습니다.
산업혁명과 함께 의수는 발전하여 오늘날의 기술에 이르렀습니다. 기계식 의수는 남은 팔다리의 여러 부위에 고정되는 여러 개의 케이블(견인줄)이 달린 골격입니다. 힘이 가해지면 케이블이 당겨지면서 의수가 움직이거나 구부러집니다. 이러한 의수는 전완 절단뿐 아니라 팔 전체를 잃은 경우에도 적용할 수 있습니다.
견인식 의수는 생체전기 센서의 특성 때문에 어깨 절단 환자에게 생체전기식보다 더 적합합니다. 의수는 골격, 소켓, 손으로 구성될 뿐만 아니라 건강한 어깨에 고정되는 케이블이 포함되어 이를 통해 제어가 이루어집니다(손목의 굽힘과 폄). 팔꿈치 부위의 제어는 건강한 손으로만 가능하거나, 몸통을 이용해 의수를 밀어내는 방식으로만 가능합니다.
견인식 의수의 주요 장점:
- 전자장치가 없어 비용이 낮아지고 손상에 대한 내구성이 높아집니다
- 어깨 절단 시에도 장착이 가능합니다
- 생체전기식에 비해 무게가 가볍습니다
하지만 이러한 의수는 파지 방식이 한 가지뿐이어서 특정한 좁은 기능을 위해 설계되며, 일상생활에서는 항상 유용하지는 않습니다.
생체전기식 의수
생체전기식 의수는 작동 원리와 장치 자체가 더 복잡합니다. 이 장치는 남아 있는 근육의 전기 전위를 읽는 방식으로 작동합니다. 설명하자면 다음과 같습니다. 손을 움직이기로 결정하면 뇌에서 척수로 신호가 전달되고, 이 신호는 근육 섬유와 연결된 신경으로 들어갑니다. 신호는 증폭되어 근육 섬유의 특정 그룹으로 퍼지며, 하나의 신경이 여러 근육 세포를 작동시킬 수 있습니다.
건강한 손에서는 신호가 예를 들어 손바닥까지 도달하므로 손을 쥐게 됩니다. 하지만 팔꿈치 아래를 절단한 팔에서는 신호가 «허공으로» 사라져, 즉 흩어집니다. 흩어지기 전에 신호를 감지하는 특수 센서를 설치하면 이를 어떤 식으로든 활용할 수 있습니다. 생체전기 센서는 팔에 이식할 필요 없이 의수를 착용하기만 하면 됩니다.
신호가 감지되면 프로세서로 전달되어 처리됩니다. 서보모터가 작동하고, 그 결과 의수가 특정 동작을 수행합니다. 서보모터는 신호를 받아 프로그램의 데이터와 비교하고 특정 동작을 수행할 수 있는 작은 구동 장치입니다.
이 의수의 장점은 기계식에 비해 전자장치가 있다는 점입니다. 서보모터의 동작을 프로그래밍하고 의수의 다양한 파지 방식을 설정할 수 있습니다. 견인식은 손을 쥐고 펴는 동작만 할 수 있지만, 생체전기식은 손짓을 하거나 손목을 돌리는 등의 동작이 가능합니다. 파지 방식은 18개에서 22개까지 있습니다.
하지만 이러한 파지 방식은 직접 전환해야 합니다. 어떤 동작을 하고 싶다고 생각하는 것만으로는 의수가 이를 수행하지 않습니다. 의수의 작동은 센서에 의존하며, 뇌나 사고 과정과는 연결되어 있지 않습니다. 전환은 디스플레이나 의수의 버튼, 또는 휴대폰 앱으로 할 수 있습니다. 기계식 의수와 마찬가지로, 파지 동작을 수행하려면 특정 근육을 계속 긴장시켜야 하므로 장시간 사용 시 피로를 느낄 수 있습니다.
사용자는 손가락을 하나씩 따로 제어할 수 없으며, 대신 프로그래머가 서보모터 코드에 넣어 둔 동작만 수행할 수 있습니다. 손가락을 개별적으로 제어할 수 있는 유형이 하나 존재합니다. 이 방식은 근육의 초음파 스캔 원리로 작동하지만, 현재는 단 하나의 시제품에 불과합니다.
전완 이상 절단과 미래
전완 이상 절단의 어려움은 신호를 읽을 대상이 전혀 없다는 데 있습니다. 팔이 완전히 없기 때문에 센서를 둘 곳이 없지만, 엔지니어들은 두 가지 돌파구를 찾아냈습니다:
- Ottobock사의 DynamicArm 제품입니다. 소켓은 어깨가 있어야 할 위치에 장착되며 제어를 위한 신호를 읽습니다. 팔꿈치 굽힘은 파지 방식 중 하나이며, 하중이 가해지면 팔꿈치가 자동으로 펴집니다.
- 존스 홉킨스 대학교의 개발품입니다. 환자는 양팔이 모두 없으며 전완 이상 절단을 했습니다. 연구진은 센서를 가슴에 배치했습니다. 의수는 움직임이 자유롭고 가동 범위가 넓지만, 가슴을 이용해 팔을 제어하기는 어려워 속도와 조작의 편의성에 한계가 있습니다.
현존하는 의수가 기술적으로 발전했음에도 불구하고, 세상에는 아직 발전의 여지가 남아 있습니다. 팔이 없거나 양팔을 절단한 환자도 의수를 통해 재활하고 활동 범위를 넓힐 수 있습니다. 그러나 여전히 한계가 있습니다. 신경 보철 기술이나 생체전기 센서 수를 늘린 신경망을 활용하면 이러한 결과를 개선할 수 있습니다.
주목할 점은 의수 가격이 여전히 높다는 것입니다. 약 20,000달러에서 100,000달러에 이릅니다. 3D 프린팅으로 가격을 낮추려는 시도가 이어지고 있지만, 가까운 시일 내에 그 효과가 뚜렷하게 나타나기는 어려워 보입니다. 공상과학의 수준까지는 아직 멀었지만, 이 로봇공학 분야는 멈춰 있지 않으므로 미래에 기적이 일어나기를 기대해 볼 만합니다.
