절단 환자를 위한 로봇 손: 실시간 촉각 제어
전 세계에서 상지 절단을 겪은 500만 명 이상의 사람들에게 의수 기술은 먼 길을 걸어왔습니다. 마네킹을 닮은 전통적인 의수 외에도, 환자의 잔존 근육 신호를 감지하고 의도한 움직임을 로봇으로 구현하도록 설계된 고관절형 생체 의수, 즉 상용 신경의수가 늘고 있습니다.
하지만 이런 첨단 기술의 정교함에는 대가가 따릅니다. 신경의수는 가격이 수만 달러에 이를 수 있으며, 전기 모터가 달린 금속 프레임을 기반으로 해 무겁고 뻣뻣할 수 있습니다.
매사추세츠공과대학교(MIT)와 상하이 자오퉁대학교의 엔지니어들은 부드럽고 가벼우며 저렴할 가능성이 있는 신경의수 손을 개발했습니다. 이 의수를 시험한 절단 환자들은 여행 가방의 지퍼를 잠그고, 상자에서 주스를 따르고, 고양이를 쓰다듬는 등 일상 동작을 수행했습니다.
이들은 이 모든 동작을 더 뻣뻣한 신경의수를 쓰는 사람들만큼, 경우에 따라서는 더 잘 해냈습니다. 연구진은 촉각 피드백 시스템을 적용해 설계한 의수가 지원자의 잔존 사지에서 일부 기초적인 감각을 되살렸다는 사실도 확인했습니다.
새 디자인은 놀라울 정도로 튼튼해 망치로 맞거나 자동차에 깔려도 빠르게 원래대로 돌아옵니다. 이 스마트 손은 부드럽고 탄성이 있으며 무게는 약 200g입니다. 부품 비용은 약 500달러로, 더 뻣뻣한 스마트 의수의 무게와 재료비에 비하면 일부에 불과합니다.
“아직 제품은 아니지만, 성능은 이미 기존 신경의수와 비슷하거나 그 이상이어서 매우 만족스럽습니다. 이 소프트 의수를 아주 낮은 가격에 만들어, 절단 사고를 겪은 저소득 가정에 보급할 수 있는 잠재력이 매우 큽니다.”
이 손의 디자인은 애니메이션 〈빅 히어로〉에 나오는 풍선 로봇을 연상시킵니다. 인공 손은 상용 엘라스토머인 EcoFlex라는 부드러운 탄성 소재로 만들어졌습니다. 의수는 다섯 개의 손가락으로 이루어져 있으며, 각 손가락은 실제 손가락의 관절뼈처럼 섬유 분절로 덮여 있습니다. 손가락들은 사람 손 모양의 3D '손바닥'에 연결됩니다.
연구진은 대부분의 신경의수처럼 전기 모터로 각 손가락을 제어하는 대신, 간단한 공압 시스템으로 손가락을 정확히 부풀려 특정 자세로 구부렸습니다. 작은 펌프와 밸브로 구성된 이 시스템은 허리에 착용할 수 있어 의수 자체의 무게를 크게 줄입니다.
연구팀은 원하는 손가락 위치를 그 위치에 도달하기 위해 펌프가 가해야 하는 압력과 연결하는 컴퓨터 모델을 개발했습니다. 또한 두 손가락과 세 손가락 집기, 주먹 쥐기 등 일반적인 다섯 가지 쥐기 동작을 모방하는 위치로 손가락을 부풀리도록 공압 시스템을 지시하는 컨트롤러도 만들었습니다.
공압 시스템은 운동 뉴런이 근육을 제어하기 위해 생성하는 전기 신호를 측정하는 근전도(EMG) 센서의 신호를 받습니다. 센서는 의수가 사용자의 사지에 부착되는 소켓 안에 설치됩니다. 센서는 예를 들어 절단 환자가 주먹을 쥐는 모습을 떠올릴 때 잔존 사지에서 나오는 신호를 포착할 수 있습니다.
특수 알고리즘이 근육 신호를 '해독'해 일반적인 쥐기 유형과 연결합니다. 엔지니어들은 이 알고리즘을 사용해 공압 시스템의 컨트롤러를 프로그래밍했습니다.
사용자가 와인잔을 잡는 모습을 떠올리면 센서가 잔존 근육 신호를 포착하고, 컨트롤러가 이를 해당 압력으로 변환합니다. 그러면 펌프가 그 압력을 가해 각 손가락을 부풀려 사용자가 원하는 쥐기 동작을 구현합니다.
연구진은 대부분의 상용 신경의수에는 없는 촉각 피드백 기능을 추가하고자 했습니다. 이를 위해 각 손가락 끝에 압력 센서를 부착했으며, 이 센서는 접촉하거나 눌릴 때 감지된 압력에 비례하는 전기 신호를 냅니다. 각 센서는 사용자의 잔존 사지의 특정 위치에 연결되어 있어, 예를 들어 검지가 아닌 엄지로 누르고 있다는 것을 '느낄' 수 있습니다.
로봇 손을 시험하기 위해 연구진은 상지를 절단한 지원자 두 명을 모집했습니다. 이들은 신경의수를 착용한 뒤, 다섯 가지 일반적인 쥐기 동작을 하는 모습을 떠올리며 팔 근육을 반복해서 수축시키는 방식으로 사용법을 익혔습니다.
15분간의 훈련을 마친 뒤, 이들은 손의 힘과 정교함을 보여주는 일련의 표준 테스트를 수행했습니다. 체커 말 쌓기, 책장 넘기기, 펜으로 글씨 쓰기, 무거운 공 들어 올리기, 딸기 같은 깨지기 쉬운 물건 집기 등이었습니다. 이들은 더 뻣뻣한 바이오닉 손으로도 같은 테스트를 반복했고, 공기 주입식 의수가 동등하거나 더 낫다는 사실을 확인했습니다.
지원자 중 한 명은 음식(크래커까지)을 먹고 노트북, 병, 망치, 펜치 같은 여러 물건을 다루는 등 일상 활동에서 소프트 의수를 직관적으로 사용할 수 있었습니다. 그는 의수를 안전하게 조작해 누군가와 악수하고, 꽃을 만지고, 고양이를 쓰다듬을 수 있었습니다.
가장 놀라운 실험은 연구진이 지원자의 눈을 가리고 어느 손가락을 건드렸는지 구별할 수 있는지 확인한 것이었습니다. 그는 의수에 넣은 크기가 다른 병들도 '느낄' 수 있었습니다. 연구팀은 이 실험들이 공기 주입식 손을 통해 절단 환자가 일종의 감각과 실시간 제어 능력을 회복할 수 있다는 유망한 신호로 보고 있습니다.
