신경신호 기반 제어 기능을 가진 인공 팔 원천기술 개발 추진
인간에게 가장 완벽한 도구인 손과 팔을 모방한 인공 팔(Bionic Arm)을 통해 생각하는 대로 팔을 움직이고, 손의 감촉을 느낄 수 있다면? 수부 절단 장애인에게 꿈같은 이야기가 곧 현실로 다가올 것으로 보인다.
최근 인간 능력 향상 및 편익 증진을 위해 인간과 동물의 생체원리를 기반으로 한 연구개발 및 정책지원 확대가 활발히 추진되고 있다. 특히 첨단 기술을 기반으로 하는 고난도 생체모사로 지능과의 연계를 통해 인체에 적용할 수 있는 기술 개발이 국내외에서 활발히 이루어지고 있다.
한국과학기술연구원(KIST) 오상록 박사팀은 미래창조과학부 첨단융합기술개발사업의 생체모사형 메카트로닉스 융합기술개발 사업으로 ‘생각대로 움직이고, 느끼는 인공 팔(Bionic Arm) 개발’을 수행하고 있다. 이 연구는 전략적 협력 연구를 진행하는 융합연구 형태의 통합시스템 사업으로 2014년에 사업 선정되어 총 6년간 365억원(정부 315억원, 민간 50억원)의 사업비로 수행될 예정이다.
사업을 성공적으로 추진하기 위해 국내 최고 수준의 협력 연구팀으로 한국과학기술연구원 로봇연구단 김기훈 박사팀(신경신호 측정/분석시스템 개발), 성균관대학교 최혁렬 교수팀(인공피부 및 근육 개발), 한양대학교 최영진 교수팀(인공 골격 및 관절 개발)이 각각 선정됐고, 올해 이들 팀의 연구와 연계해 삽입형 인터페이스 개발을 위한 마지막 연구팀이 추가로 선정될 예정이다.
현재의 인공 팔 기술 수준은 뇌파, 근전도, 신경다발 등에서 측정되는 제한적인 생체신호를 통해 팔의 위치 정보 및 제스처만 획득할 수 있기 때문에, 해독할 수 있는 동작의 수가 제한적이고 촉감은 느낄 수 없는 수준이다. 즉, 인체 감각 기관에 대한 단편적 모방, 기계적으로 동작하는 구동기 등 신경계와 연동되지 않는 기술 개발로 진행되어 왔다.
이 연구 사업의 목표는 인체 신경의 신호 전달 원리를 총체적으로 분석하고 신경인터페이스를 구성해, 복잡한 움직임과 다양한 촉감을 생성하는 생체신호 제어용 신호 처리 기술을 기반으로 인체 신경과 연동함으로써 인체 호환 수준으로 자유롭게 움직이고 물체 형상과 온도까지 인식하는 인공 팔을 개발하는 것이다.
▲ 손가락 부분 의수 작동 사진 (제공 : 한양대학교)
인체를 대체할 수 있는 수준의 기술 확보 계획
이를 위해 KIST 김기훈 박사팀은 인체가 동작할 때 뇌에서 근육으로 전달되는 신경신호를 측정해 분석하고 신경 인터페이스를 구성함으로써, 연동이 가능해 섬세한 손동작 구현이 가능한 인공 팔을 개발하고 있다. 이에 따라 기존의 단방향 신경인터페이스와 달리 운동과 감각의 양방향 신경 인터페이스를 통한 인체 대체 수준의 혁신적인 성능을 가진 인공 팔 개발의 원천 기술을 확보할 예정이다.
▲ 초정밀 신경 조작 플랫폼 (제공 : KIST)
또한, 피부에서 뇌로 전달되는 촉감 관련 신경신호를 이해하고 신경을 자극함으로써 인공 팔을 통한 촉감을 복원하려고 하고 있다. 이와 관련해 삽입형 신경 전극과 이를 이식하기 위한 수술 장비 및 신경, 근육 재생 기술을 개발하고 있다.
성균관대학교 최혁렬 교수팀은 바이오닉 암을 구동하기 위해 고분자 소재를 이용함으로써 인간의 근육과 유사한 힘을 낼 수 있는 인공근육형 구동기와, 인공 팔에 장착할 수 있는 피부를 모사한 3차원 피부 센서를 개발하고 있다.
또한 한양대 최영진 교수팀은 절단장애인의 남아있는 뼈와 근육들을 최대한 활용해 구동부를 최소화하고, 팔과 손의 움직임을 의학적으로 분석해 사람과 비슷하게 움직이는 인공골격 및 관절 메커니즘을 개발하고 있다.
▲ 개발 중인 전완 바이오닉 의수 작동 사진 (제공 : 한양대학교)
이 연구 사업의 총괄책임자인 오상록 박사는 “근전도 및 뇌 신호 중심으로 센서 또는 구동기 개발에 편중되어 있던 기존 기술에서 벗어나 신경신호와 직접 연결해서 인체에 적용할 수 있는 기술인 만큼 실제 사용자들에게 기대 이상의 효율성과 삶의 희망을 되찾아 줄 수 있을 것”이라고 말했다.
인공 팔 개발 효과
이번 연구 사업은 바이오 메카트로닉스 및 의료/재활/수술 로봇 관련 원천 특허를 확보할 수 있으며 해당 분야의 세계적 기술 수준을 확보할 수 있는 바탕을 마련할 수 있다.
그리고 인지과학, 생체과학, 뇌과학, 재활의학 및 로봇공학 간 학문 융복합의 모범 사례로 학제간 연구의 기폭제 역할을 할 것으로 기대되며 바이오닉스 연구, 뇌 질환, 인간-기기 인터페이스, 신경 컴퓨터, 지능형 반도체 칩, 생물 전자 소자, 신경 회로망, 뇌/신경 유전체 기능 연구 등 다양한 분야에서 시장 창출이 가능할 것으로 예상된다.
그뿐 아니라 인간의 신경신호와 동작/감각 사이의 상호 관계에 대한 이해를, 의학적 관점에서 벗어나 공학적 관점에서 재해석함에 따라 새로운 학문 분야 창출에 기여할 것으로도 기대된다.
또한, 국내 약 14만여 명의 상지 절단 장애인들을 위한 부분 의수 및 인공 팔/손으로 적용할 수 있어 삶의 질 향상에 기여할 수 있을 것으로 보인다.
정리 : 김희성 기자 (npnted@hellot.net)
게재월 | 2016 - 06 732 0