인간과 로봇이 공존하는 ‘인간 증강’ 시대가 다가오고 있다. 인간을 닮은 로봇을 뜻하는 '휴머노이드'가 등장하고 로봇을 닮은 인간 웨어러블 기기들이 발전하면서 인간 증강으로 이어진다는 것이다.

한국연구재단은 최근 ‘인간 증강_기초연구본부 선정 R&D 이슈 연구동향’ 정책 브리프를 발표하면서 국내외 연구결과를 소개했다.

인간 증강은 개인의 인지 및 신체 능력을 강화하기 위해 생명, 전자, 기계공학 등을 활용해 신체에 장비 및 기기를 장착시키는 기술로, 의료, 군사, 산업 분야에서 연구가 활발하다. 가장 대표적인 인간 증강은 디바이스를 신체 내부에 이식하거나 신체에 부착함으로써 선천적인 신체적 능력을 향상시키는 웨어러블 디바이스다.

신체 증강은 감각 증강(청각, 시각, 지각), 생물학적 기능 증강(외골격, 보철), 두뇌 증강(발작을 치료 임플란트), 유전자 증강(체세포 유전자, 세포 치료)의 네 개의 주요 카테고리로 나누어진다.

◇스위스ㆍ미국 등서 재활치료기 개발

▲스위스 호코마(Hocoma)社는 상지로봇 재활 치료기 '아메오 파워'(Armeo Power)를 개발했다. 아메오 파워는 센서와 지능형 알고리즘을 활용하여 신경계 장애 환자의 초기재활 치료를 위한 것으로 AAN(Assist-as-Needed) 방식이다. 가상 환경에서 확대된 성능 피드백(Augmented Performance Feedback)을 활용한 재활 운동을 제공하여 환자의 신경 가소성 재활 치료에 효과적인 동기 부여를 기대하고 있다.

또 환자의 재활 운동에 관련된 센서 및 모터 데이터 결과를 모니터링할 수 있어 환자의 상태에 따라 치료 요법을 최적화할 수도 있다.

▲미국 웨어러블 로봇기업인 '마이오모'(Myomo)는 피부 표면의 비침습형 EMG 센서를 활용하여 신경계 장애 환자의 근전도 신호를 수신 및 증폭하는 상지 신경 로봇 재활 치료기를 개발했다. 환자의 신경 가소성 재활 치료에 자발적인 동기를 제공할 뿐만 아니라 가상 환경 속에서 중력과 같은 요소를 조절하여 환자 맞춤 재활 운동이 가능하다. 안드로이드 기반 플랫폼과 연동하여 환자의 재활 치료 준수에 대한 동기 유지 및 환자 관리에 용이한 것이 장점이다.

▲스위스 로잔연방공대(EPFL)는 피부에 부착할 수 있는 '필름형 햅틱 액추에이터' 개발했다.

허브트 쉐이(H. Shea) 교수 연구팀은 피부에 부착할 수 있는 수준의 얇은 인공 근육을 이용하여 피부에 진동감 등 촉각 신호를 전달할 수 있는 구동 모듈인 이 장치를 개발했다. 이 장치는 매우 낮은 전압으로 구동할 수 있도록 개발되었으며 투명하고 얇은 것이 특징이다. 이 때문에 피부뿐 아니라 각종 디스플레이 등 다양한 곳에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

◇국내서도 로봇팔 등 활발한 연구활동

국내에서 이 분야를 연구하는 학자는 한국과학기술원 유지환 교수의 ‘재활 및 일상생활보조용 소프트 외골격 로봇 팔’, 울산과학기술원 배준범 교수의 ‘부드럽고 유연한 근육형 구동 모듈 시스템의 개발 및 착용형 시스템에 적용’에 대해 연구하고 있다. 또 한국과학기술원 경기욱 교수도 ‘소프트 액추에이터/센서 기반 웨어러블 햅틱-로보틱 인터페이스 연구’ 등 18건의 연구활동이 있는 것으로 알려졌다.

이 중 유지환 교수는 줄꼬임 기반 상지 외골격 로봇 팔 개발 연구를 통해 뇌졸중 환자 및 지체 장애인의 일상생활 보조를 통한 재활을 위해 의복 형태의 상지 외골격 로봇 팔 및 장갑 개발을 하고 있다. 이 장치는 사용자가 약간의 근력(Grade 1~2)만 있을 때도 로봇 팔의 도움을 받아 필요한 일상생활 동작을 수행할 수 있도록 함으로써 뇌졸중, 뇌손상, 근육병 및 척수손상 장애인의 일상생활 동작의 독립성을 극대화할 수 있다.

일상생활 보조를 통한 재활의 역할을 할 수 있으므로 장애인이 본인의 의지로 뚜렷한 동기를 가지고 매일 반복적으로 재활 운동을 수행할 수 있어 상태 호전에 도움을 줄 수 있는 것으로 알려졌다. 또 의복 형태로 착용이 간편하고 외형적으로 드러나지 않아, 자연스러운 일상생활 보조 및 지속적인 재활 훈련이 가능하다.

유지환 교수는 한국연구재단과 인터뷰에서 ‘재활용 로봇을 일상생활에서 활용하기 위해서는 편의성 개선이 필요하다“면서 ”이를 위해 프레임을 최소화한 경량화된 의복 형태의 착용형 재활 로봇의 개발이 이루어져야 한다“고 밝혔다. 유 교수는 ”줄꼬임 기반 착용형 로봇을 재활 치료 및 일상생활 보조에 활용하기 위해서는 구동 시스템의 전반적인 성능 향상과 더불어 착용자의 안전과 사용성을 위해 구동기의 내구성을 개선하는 연구가 필요하다“고 덧붙였다.

◇기초연구성과 응용 연계를 위한 향후 과제

한국연구재단 브리프는 기초 연구들을 통합한 소프트 웨어러블 시스템 연구 및 이를 가상현실, 증강현실 등에 적용하거나 원격 조종 로봇 인터페이스로 활용하는 연구 등이 필요하다고 밝혔다. 

브리프는 인간이 편하고 쉽게 착용할 수 있으며 주변 또는 가상 환경과 다양한 감각을 주고받을 수 있는 하이브리드 웨어러블 시스템 개발을 위해서는 소프트 센서, 구동기의 신뢰성 향상 연구, 대면적ㆍ다층 구조의 센서 연구, 센서 및 구동기 구조는 물론 사용자의 신체 구조까지 고려한 웨어러블 구조의 설계 연구 등이 뒤따라야 한다고 평가했다. 또 로봇 착용으로 인한 2차적 근골격계 질환이 발생하지 않도록 각 신체 관절과 근육의 위치를 고려하여 착용자의 움직임을 방해하거나 제한하지 않도록 하는 보조 위치 분석에 대한 연구도 요구되고 있다.

이밖에 일상생활에서 착용자의 신체 변화를 사전에 감지할 수 있는 센서와 이를 빠르고 정확하게 분석하여 로봇을 제어할 수 있는 시스템에 대한 연구도 있어야 한다고 조언했다.