美 유타대 연구팀, 편마비 환자용 고관절 착용 로봇 개발

▲유타대 연구팀이 편마비 환자용 착용형 로봇을 개발했다. (사진=유타대)

뇌졸중으로 인한 편마비 환자의 보행을 획기적으로 개선할 수 있는 착용형(웨어러블) 로봇이 개발됐다.

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美 유타대 연구팀은 휴대용 고관절 외골격 로봇을 개발, 편마비 환자의 보행 에너지 소모를 18% 줄이는 데 성공했다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 발표됐다. (논문 제목:Portable hip exoskeleton improves walking economy for stroke survivors)

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연구팀에 따르면, 편마비는 뇌졸중 생존자의 80%에서 나타나는 증상으로, 신체 한쪽의 근력 저하와 운동 제어 장애를 동반한다. 편마비 환자는 기능 저하와 장애를 보상하는 과정에서, 반대쪽 근육이 정상인보다 보행 시 60% 더 많은 에너지를 소비하며, 보행 속도 저하·낙상 위험 증가·만성 통증 등의 문제가 생긴다.

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연구팀이 개발한 착용형 로봇은 무게 약 2.5kg으로 골반에 착용하고 허벅지에 고정하는 형태로 설계됐다. 배터리로 구동되는 모터가 매 걸음마다 고관절의 움직임을 보조하며, 지능형 제어 시스템이 실시간으로 사용자와 움직임을 동기화해 고관절을 들어 올리거나 발을 내딛는 순간에 정확히 보조력을 제공한다. 보조력의 수준은 사용자 별로 맞춤 조정된다.

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기존 연구들은 '족하수(foot drop, 발 앞부분을 들어 올리기 어려워 발이 끌리는 상태)'와 발목 추진력 저하(impaired ankle propulsion)를 편마비 보행 문제의 핵심으로 보고 발목 보조 외골격을 개발해왔다. 그러나 발목 착용형 외골격은 뇌졸중 환자의 에너지 소모 감소의 효과를 입증하지 못했다. 연구팀은 발목 약화 환자가 고관절로 이를 보상하는 과정에서 추가적인 에너지가 소모된다는 점에 주목해 접근 방식을 전환했다.

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토마소 렌지 유타대 기계공학과 교수는 "고관절 외골격은 사용자의 무게 중심에 가깝게 착용되고 요구 토크도 낮아 발목 외골격보다 훨씬 가볍게 만들 수 있다"며 "고관절 보조가 발목 추진력 저하를 효과적으로 보완한다는 사실을 확인했다"고 설명했다.

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연구팀은 편마비 환자 7명을 대상으로 트레드밀에서 외골격 로봇 착용 전후 보행의 변화를 분석했다. 정밀 동작 캡처 장비와 칼로리 소모 측정 장비를 함께 활용해 대사 비용을 산출했다. 그 결과 외골격 착용 시 고관절 부담의 약 30%가 로봇 장치로 분산됐고, 전체 보행 대사 비용은 18% 감소했다. 논문 공동 저자인 보 포어맨 물리치료학과 교수는 이 효과를 "건강한 사람이 약 14kg짜리 배낭을 벗는 것과 같다"고 비유했다.

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이번 연구에 참여한 뇌졸중 생존자 리디아는 "처음에는 다리를 전혀 움직일 수 없었는데, 로봇을 착용하니 훨씬 나아졌다"고 말했다. 그녀의 남편은 "더 많이 사용할수록 로봇을 착용하지 않은 상태에서도 더 잘 움직였다"고 설명했다.

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연구팀은 가정과 일상생활 환경에서 로봇의 안전성·효과성 검증을 추진한다는 계획이다. 또한 보조기구 전문 기업들과 협력해 보행 외 다양한 활동도 지원할 수 있는 상용화 제품 개발도 병행할 계획이다.

이번 연구는 미국 국립보건원(NIH)·국립산업안전보건연구원(NIOSH)·국립과학재단(NSF)의 지원을 받아 이뤄졌다.

 

백승일 기자 robot3@irobotnews.com

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