미 미시건대, 생각으로 손가락 움직이는 로봇 의수 개발

▲ 조 해밀턴씨가 로봇 의수로 손가락을 이용해 다양한 물체를 조작해보고 있다.(사진=미시건대) ​ 불의의 사고로 팔이 절단된 장애인이 ‘마인드 콘트롤(mind control)’ 방식으로 5개의 손가락을 정밀하게 움직일 수 있는 로봇 의수가 개발됐다. ​ ​남아 있는 팔의 근육안에 있는 신경에 전극을 연결해 미세한 신호를 증폭하는 방식으로, 기존 로봇 의수의 한계를 극복했다. 또 뇌 인터페이스 기술인 'BMI(brain-machine interface)' 분야에서 축적한 인공지능 알고리즘을 로봇의수에 적용해 직관적인 손가락 동작이 가능하도록 했다. ​ 미국 미시건대(UM) 폴 세데르나(Paul Cederna) 교수와 신디 체스텍(Cindy Chestek) 교수팀은 불의의 사고로 팔이 절단된 장애인의 남아 있는 팔 근육이나 신경에 미세한 근육 신호를 증폭할 수 있는 ‘근육 접합(muscle graft)’을 만들고, 여기에 전극을 연결하는 방식으로 기존 로봇 의수 기술의 한계를 극복하는 성과를 거뒀다고 밝혔다. ▲ 남아 있는 팔 부위에 있는 설치된 '근육 접합' ​ ​연구팀은 팔에 장애를 입은 사람이 머리로 손가락을 움직이겠다고 생각하는 순간 바로 로봇 팔에 의도가 전달되는 데 연구의 목표를 두었다. ​ BMI 기술을 활용해 로봇 의수를 제어할 경우 그동안 뇌에 전극을 부착하는 방법이 일반적으로 활용됐으나 수술에 따른 위험이 크다는 단점이 지적됐다. 또 몸을 전혀 쓸 수 없는 환자가 아니라 팔만 절단된 장애인에게는 무리한 방법이란 지적도 있었다. 이번 연구에선 뇌에 전극을 부착하는 것이 아니라 남아 있는 팔 신경 조직에 부착한다는 점에서 위험도가 낮다는 설명이다. 이번 연구 성과는 전문 저널인 ’사이언스 트랜스래셔널 메디슨(Science Translational Medicine)‘ 최신호에 게재됐다. ​ ​기존 연구의 경우 절단된 팔 부위에 남아 있는 근육의 신호가 미세해 로봇 의수를 제어하는 데 어려움이 있었다. 연구팀은 이 같은 한계를 극복하기 위해 남아 있는 팔 부위의 주요 신경에서 신경 섬유 다발을 분리하고, 종이 클립(clip) 크기의 근육 조직 덩어리로 쌓아 소형의 ‘근육 접합’을 만들었다. 새로운 손가락 근육을 만든 셈이다. 소형의 근육 접합을 신경 신호 증폭장치로 활용하고, 여기에 전극을 연결해 신경 신호를 로봇 의수로 보내는 방식이다. ​ ​연구팀은 이렇게 구현된 기술을 ‘재생적 말초신경 인터페이스(RPNIs·regenerative peripheral nerve interfaces)’라고 표현했다. RPNIs를 통해 손상된 신경 조직을 연결해주는 새로운 조직을 만들 수 있다는 것. ​ 논문의 주요 저자인 '폴 세데르나' 교수는 “수년동안 팔 절단 환자를 대상으로 진행된 근육 제어 연구에서 가장 큰 진전을 이뤘다”며 “우리는 환자들이 남아 있는 팔 부분의 신경을 활용할 수 있는 로봇 의수를 만들었으며, 의수 착용자는 손가락을 개별적으로 움직일 수 있다”고 말했다. 또 “그동안 손상된 신경의 신호가 5마이크로 볼트 또는 50마이크로 볼트에 불과했으나 이번에 처음으로 밀리볼트 단위의 신호를 볼 수 있었다“고 했다. ▲ 로봇 의수로 블록을 들어올리는 모습(사진=미시건대) ​ ​연구팀은 이번 기술을 모비우스 바이오닉스(Mobius Bionics)의 로봇팔인 ‘루크(LUKE)에 적용해 팔이 절단된 장애인을 대상으로 테스트를 진행했다. ​ ​실험 참가자들은 증폭된 신경 신호를 활용해 손가락을 자유롭게 움직이고 물건을 잡는 동작을 실행했다. 실험에 참가한 '조 해밀턴(Joe Hamilton)'씨는 지난 2103년 사고로 팔을 잃었는데 “다시 손을 얻은 것 같다”며 기쁨을 표현했다. 체스텍 교수는 실험 참가자들이 학습 과정 없이 첫번째 시도에서 손가락을 자신의 의도대로 움직였다면서 “학습 과정은 우리의 알고리즘내에서 이뤄진다“고 했다. ​ 한편 이번 연구는 미 국방부 산하 방위고등연구계획국(DARPA)과 국립건강연구소(the National Institutes of Health)의 자금 지원으로 이뤄졌다.

장길수  ksjang@irobotnews.com

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