부드러운 엑소수트가 걷기 요구에 맞춰 자동으로 적응할 수 있다
우리의 걸음걸이는 끊임없이 변합니다. 우리는 속도를 바꾸고 경사에 맞춰 조정하지만 이를 의식하지 못합니다. 이러한 가변성 때문에 외골격으로 걸음을 재현하기는 어렵습니다. 그러나 하버드 공과대학 및 응용과학대학(SEAS) 연구자들은 사람의 보행 방식에 따라 부드러운 외골격을 자동으로 조절하는 접근법을 개발했습니다.
일반적으로 외골격을 걸음걸이에 맞추려면 수동 또는 자동 설정에 몇 시간이 걸립니다. 이 과정은 건강한 사람에게도 까다로우며, 노인이나 임상 환자에게는 때로 거의 불가능합니다.
SEAS 연구자들은 외골격 개발에 독특한 접근법을 적용합니다. 사용자 사지의 동적 움직임에 집중하는 대신, 근육을 기반으로 한 보조 전략을 만들었습니다.
«우리는 초음파로 다양한 보행 속도와 경사에서 사람의 가자미근 동작을 기록했습니다. 이렇게 미리 기록된 영상을 바탕으로 비효율적인 단축성 수축을 통해 가자미근이 만들어내는 힘을 추정하고, 이 추정 힘에 비례하는 엑소수트 보조 프로파일을 설계했습니다. 측정한 모든 보행 과제에서 양쪽 발목 엑소수트를 사용해 이 접근법을 평가했습니다»,— 연구자들이 전했습니다.
이 전략에 따라 휴대용 초음파 시스템이 종아리 근육을 초음파로 측정합니다. 이 측정값으로 근육이 만들어내는 힘을 추정할 수 있습니다. 연구자들은 측정값을 이용해 개인별 보조 프로파일을 설계합니다. 그러면 엑소수트가 다양한 보행 속도와 경사에 필요한 보조량을 자동으로 결정합니다. 엑소수트는 사람이 걷는 데 도움을 주기 위해 더 작은 보조 힘을 제공합니다.
“우리는 초음파로 피부 아래를 들여다보고, 사용자의 근육이 여러 보행 과제 동안 실제로 무엇을 하는지 직접 측정했습니다. 우리의 근육과 힘줄은 유연해서, 사지의 움직임과 그 움직임을 조절하는 주요 근육의 움직임 사이에 반드시 직접적인 대응 관계가 있는 것은 아닙니다”
이 방법을 이전 방법과 구별하는 점은, 사람이 다양한 속도와 경사에서 걸을 때 필요한 보조를 엑소수트가 자동으로 결정할 수 있다는 것입니다. 엑소수트는 근육 프로파일을 파악하는 데 몇 초의 걸음만 필요합니다.
연구자들에 따르면 이 엑소수트는 실제 환경에 빠르게 적응할 수 있습니다. 과학자들이 수트를 입었을 때와 입지 않았을 때 사용되는 대사 에너지를 측정하자, 수트가 사용되는 대사 에너지를 크게 줄인다는 것을 확인했습니다.
SEAS 대학원생이자 공동 연구 저자인 산준 리는 이렇게 말했습니다. «근육을 직접 측정하면 엑소수트를 착용한 사람과 보다 직관적으로 협력할 수 있습니다. 이 방식에서 엑소수트는 착용자를 압도하지 않고 함께 작동합니다».
이 연구는 하버드 생체로봇 연구소와 하버드 생체설계 연구소의 협력 결과이며, 이 연구소들은 SEAS의 공학 및 응용과학 교수인 코너 J. 월시가 이끌고 있습니다. SEAS 연구자들은 시스템이 실시간으로 지속적인 조정을 받을 때 어떻게 작동하는지 검증하며 연구를 더 진행할 계획입니다.
«사람의 걸음걸이 변이는 개인의 생리, 환경, 보행 과제에 따라 달라집니다. 따라서 웨어러블 로봇 분야에는 사용자와 과제에 맞춘 보조 설정에 대한 분명한 필요가 있습니다. 여기서 우리는 특정 과제 수행 중 사람의 근육 동작을 직접 측정한 결과로 엑소수트 보조를 도출하는 근육 기반 보조 전략을 개발했습니다», — 연구에서 밝혔습니다.
실제 환경 시험에서 엑소수트는 보행 속도와 경사의 변화에 빠르게 적응할 수 있었습니다.
“이러한 접근법은 역동적인 실제 상황에서 웨어러블 로봇의 도입을 촉진하여 편안하고 맞춤화된 보조를 제공할 수 있습니다”
하버드 존 A. 폴슨 공학 및 응용과학대학은 하버드 전반의 공학, 응용과학, 기술 분야 교육 및 연구 활동을 연결하고 통합하는 역할을 합니다. 하버드 전 부서의 연구자, 다른 대학, 그리고 기업 및 기초 연구 파트너와 협력하여 과학자들은 사람과 사회의 삶을 개선하기 위한 발견과 혁신을 직접 만들어 내고 있습니다.
하버드대학교의 위스 생물공학 연구소는 자연의 설계 원리를 활용해 생화학에 기반한 소재와 장치를 개발하며, 이를 통해 의학을 변화시키고 더 지속 가능한 세상을 만드는 것을 목표로 합니다.
위스 연구자들은 임상 연구자, 기업 제휴, 신생 기업 설립을 통해 의료, 에너지, 건축, 로봇공학, 제조 분야의 새로운 혁신 공학 솔루션을 개발하며, 이것이 상업 제품과 치료법으로 실현되도록 하고 있습니다.
이 연구소는 고위험 연구에 참여하고 학문 및 제도적 장벽을 넘어서며, 하버드 의과대학, 공학 및 응용과학대학, 예술과학대학, 디자인대학과 하나의 연합체로 협력하고, 여러 의료기관 및 다른 대학과 파트너십을 맺어 획기적인 기술 돌파구를 만들어 내고 있습니다.
