시울국립대 연구진, 무거운 물건 들기를 돕는 외골격 슈트 개발
로봇공학의 새로운 성과는 인간의 신체 한계를 넓혀 우리를 더 빠르고 강하게 만들어 줄 수 있습니다. 서울국립대학교(SNU) 바이오로보틱스 연구실의 연구진은 사람의 자세를 교정하는 외골격 슈트를 개발했습니다.
연구진은 최근 논문에서 신체의 특정 부위를 키우는 대신 한 관절의 움직임을 다른 관절의 움직임과 연동해 다른 관절의 동작을 잠그거나 풀어 주는 움직임 재구성(MR) 외골격 슈트를 소개했습니다. 이 슈트는 배터리와 모터 없이 수동으로 작동합니다.
예를 들어 무거운 물건을 바닥에서 들어 올릴 때 대부분의 사람은 허리를 굽히는데, 이는 부상을 유발하는 자세입니다. SNU의 장치는 허리를 굽히는 자세를 막고 더 안전한 스쿼트 자세로 바로잡아 줍니다.
논문에는 이렇게 쓰여 있습니다. «들어 올릴 때 취약한 관절을 고정해 움직이지 못하게 하는 일반적인 자세 교정 방식은 반복적인 들기로 생기는 허리 부상을 막기에 충분하지 않다. 대신 작지만 무거운 물건을 들 때는 전체 운동 사슬이 함께 작동하여 일련의 스쿼트 및 들기 동작을 이루어야 한다».
“우리는 이 방법론을 '신체 동력 가변 임피던스(저항)'라고 부릅니다. 한 관절을 움직여 다른 관절의 임피던스를 바꿀 수 있기 때문입니다”
칼 젤릭의 HeroWear 같은 대부분의 보조 장치는 사용자의 피로를 줄이기 위해 추가 动力을 제공하고 사용자의 자발적인 움직임에 대한 개입을 최소화하는 데 목적이 있습니다. 반면 MR 익소슈트는 사용자의 들기 동작을 안전한 스쿼트 자세로 바꾸는 데 초점을 맞추고 추가 힘도 제공합니다.
MR 슈트는 반복적으로 들기 작업을 하는 공장과 창고 노동자의 부상을 줄이기 위해 개발되었습니다. 들기와 관련된 많은 부상은 근육 피로뿐 아니라 이 동작 중의 잘못된 자세 때문에 생깁니다. 허리를 굽히는 것이 앉는 것보다 쉽고, 사람은 본능적으로 더 편한 방식을 택하는 경향이 있습니다.
연구에 참여한 SNU 의과대학의 재활의학 전문가 김기웅은 이렇게 말했습니다. «이처럼 편하지만 안전하지 않은 동작의 해로운 결과는 서서히 나타나기 때문에, 디스크 퇴행의 경우처럼 사람들이 제때 위험을 인식하지 못합니다».
연구진은 사람이 허리를 굽히려 할 때는 엉덩관절의 굽힘을 잠그고, 앉으려 할 때는 잠금을 풀어 주는 기구를 개발했습니다.
“윗등과 발을 수직 브레이크 케이블과 수평 고무 밴드로 구성된 독특한 힘줄 구조로 연결했습니다. 엉덩관절은 굽혀지고 무릎은 굽혀지지 않은 상태일 때는 엉덩관절 굽힘 토크가 브레이크 케이블을 통해 발로 전달되어 움직임에 강한 저항이 생깁니다. 그러나 스쿼트를 위해 무릎이 옆으로 벌어지면 힘줄 사이의 각도가 바뀌고, 엉덩관절 굽힘 토크는 고무 밴드의 지지로 전환됩니다”
이 장치는 이 슈트를 처음 착용한 10명을 대상으로 테스트되었습니다. 참가자 10명 중 9명은 외골격 슈트를 착용했을 때 움직임 패턴이 스쿼트 자세에 더 가깝게 바뀌었습니다. 연구진에 따르면 이는 참가자들의 평균 자세 지수가 35% 개선되었음을 의미합니다. 또한 참가자들의 평균 대사 에너지 소비가 5,3% 감소한 것으로 나타났습니다.
연구진은 현재 MR 익소슈트를 실제 작업 환경에서 시험할 수 있도록 개선하는 작업을 진행하고 있습니다. 시험은 곧 시작될 예정입니다. 연구진은 2022년에 이 장치를 상용화할 계획이지만, 아직 해결할 과제가 남아 있습니다. 논문을 통해 슈트의 효과는 확인되었지만 장기간 착용 시의 영향은 확인되지 않았습니다.
“향후 산업 현장, 헬스장, 재활 센터 등 들기 자세 교육이 필요한 다양한 분야에서 실험을 진행할 계획입니다”
연구진은 신체 동력 가변 임피던스 원리를 골프, 수영, 달리기 등 전신을 사용하는 스포츠에도 적용하기 위한 추가 연구를 계획하고 있습니다. 이런 종목들은 안전성과 경기력을 높이기 위해 올바른 동작 훈련이 필요합니다.
연구팀은 케이블과 고무줄 같은 부드러운 소재를 활용해 다양한 스포츠에 적합한 동작 훈련용 스포츠 웨어를 개발할 계획입니다. SNU 연구는 구조가 인간의 것과 다른 인공 힘줄도 동작 패턴을 바꿔 사람을 효과적으로 도울 수 있음을 보여 줍니다.
기존 버전의 외골격 슈트는 척추 상태가 나쁜 환자가 부적절한 들기 동작을 하지 않도록 예방하는 데 사용할 수 있습니다. 연구진은 이 설계가 향후 웨어러블 로봇 연구에 변화를 가져올 것으로 기대합니다. 또한 웨어러블 장치가 인간의 원래 해부학적 구조를 그대로 모방할 필요는 없다는 점을 입증했습니다.
