착용형 근력증강 기술 동향

(그림 1)과 같은 외골격형 근력증강 시스템은 주로 단단한 고체 소재로 구성된 시스템에 전기모터 혹은 유압모터를 통해 생성되는 강한 출력을 활용한다. 특히 외골격형 근력증강 시스템은 알루미늄 혹은 플라스틱의 소재를 통해 시스템 자체의 무게와 가반하중을 지면으로 분산시킬 수 있으므로 착용자 근력의 크기를 향상시키는 데에는 적합하나 무거운 무게로 인해 기동성이 떨어지는 단점이 있다.

(그림 1)

외골격형 근력증강 시스템

[출처] Flicker, "Wei-Chieh Chiu," CC BY-SA 2.0. https://www.flickr.com/photos/gameimp/3754940

이러한 특징을 활용한 군사 목적의 외골격형 시스템은 착용자, 즉 군인이 극복할 수 있는 군장의 무게를 향상시켜 주거나 상당한 무게의 포탄과 무기를 운반할 수 있도록 도와주는 형태로 개발되어왔다. 군사 목적으로 유의미한 결과를 도출한 외골격형 근력증강 시스템 중에서는 UC Berkeley 대학교의 착용형 로봇 연구 권위자인 H. Kazerooni 교수팀에서 개발된 BLEEX(Berkely lower extremity exoskeleton)[4]가 시초라고 할 수 있다. 2000년에 시작된 미국방부 DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)의 지원으로 개발된 시스템인 BLEEX의 연구 결과는 Ekso Bionics의 창업으로 이어졌고 그 후 2009년에는 HULC(Human universal load carrier)[5]를 개발하였다. 유압모터 구동방식을 사용하는 HULC는 착용자 기준 앞/뒤 모두 가반하중을 지탱하면서 최대 8시간 운용이 가능하고 최근에는 이 시스템의 성능을 극대화하여 시험하는 조건으로 Lockheed Martin에서 인수한 이력이 있다. HULC의 성공사례 이후, 각기 다른 나라에서도 해당 국가의 국방부 지원으로 군사목적 착용형 로봇의 개발이 활발히 진행되었다. 2011년 개발된 RB3D의 Hercule[6]은 프랑스 국방부와 DGA(Directorate General Armaments)의 지원으로 개발된 로봇으로 약 100kg의 가반하중을 극복할 수 있으며 최대 약 5시간 동안 최대 시속 8km의 보행 속도로 20km를 보행할 수 있다고 밝혀진 바 있다. 더불어 HULC와 동일한 유압모터 구동방식을 사용하는 Raytheon의 Sarcos XOS[7] 또한 DARPA의 군사용 착용로봇 프로젝트로부터 지원을 받아 개발되었으며 독자적인 기술로 인해 95kg 하중의 무게가 착용자에게 17분의 1만큼만 부가되도록 하는 것이 특징이다.

산업 환경에서 외골격형 근력증강 시스템이 활용되는 경우도 군사목적의 경우와 유사하다. 근무 특성상 공사 및 산업 현장에서 고중량의 화물을 운반해야 하는 경우가 많은 산업 환경에서 근로자가 극복할 수 있는 최대 하중을 증가시켜주는 형태로 외골격형 근력증강 시스템이 활용되고 있다. 이와 같은 개념의 외골격형 근력증강 시스템은 앞서 설명한 Hardiman과 같은 초기 아이디어에서 꾸준히 개발되어 왔으며 최근에는 국내의 현대자동차와 대우조선해양에서 착용자가 고중량 화물을 운반할 수 있게 도와주는 산업로봇을 개발했다고 발표했다. 2016년에 공개된 현대자동차의 근력증강 시스템[8]의 경우 50kg의 화물을 들고 있는 채로 6km/h의 속도로 평지, 계단, 경사면을 보행할 수 있으며 좀 더 앞선 2013년 유사한 시스템을 개발했던 대우조선해양의 근력증강 시스템[9]의 경우는 최근 수중 로봇도 개발 중이라고 밝혔다. 또한, 이와는 다른 방식이지만 2015년 Honda는 고중량 화물이 아닌 착용자의 체중을 극복하기 위한 근력증강 시스템인 WAD(Walking assist device)를 개발한 바 있다[10]. WAD는 3kg의 가벼운 무게로 높낮이가 조절 가능하며 고관절만 보조하는 모델과 하반신 전체를 보조하는 모델이 개발된 상태이다.

재활 및 트레이닝 분야의 외골격형 근력증강 시스템은 운동능력이 부족하거나 상실된 환자의 운동을 보조하거나 대체해 주는 형태로 다양하게 개발되고 있다. 이 중 가장 활발한 분야로는 노인을 위한 보조 로봇과 하지완전마비 장애인을 위한 보행보조 로봇이 대표적이다. 2012년 처음으로 완성형 시스템을 공개한 Cyberdyne의 HAL(Hybrid assistive limb)[11]은 근육을 움직이기 위해 뇌가 전달하는 전기신호를 피부에서 센싱하여 로봇을 제어하는 기술로, 중추신경계 손상에 의해 운동 기능을 상실한 환자에게 재활 목적으로 사용되고 있다. 이는 기존의 재활 로봇 시스템에 비해 상당 부분 단순해진 형태로, 일상 생활 중에 사용이 가능하다는 장점이 있다. 또한, 2013년 공개된 Argo Medical Technologies의 Rewalk[12]은 중증 하지장애인용 직립 및 보행 보조 로봇으로 최근 개최된 재활로봇 세계경진대회인 Cybathlon 2016에 참가하여 하지보행보조로봇 대회인 Powered Exoskeleton Race 부문에서 1위를 기록한 바 있다.

(그림 2)에서 볼 수 있듯이 슈트형 근력증강 시스템은 외골격형 근력증강 시스템과는 다르게 부드러운 소재로 구성된 시스템이다. 기존 외골격형 근력증강 시스템의 단점인 무거운 무게에 의한 낮은 기동성을 개선하기 위해 가벼우면서 신체의 움직임을 방해하지 않는 시스템에 대한 연구가 진행되고 있다. 가장 중요한 연구분야로는 무거운 전기모터나 유압모터를 대체할 수 있는 가벼운 동력원의 개발이 있다. 그러나 현재까지는 전기/유압모터의 높은 출력과 정밀성을 대체하면서 유연하고 경량화까지 얻을 수 있는 동력원을 개발하지는 못하고 있다. 그렇기에 동력원은 비교적 가벼운 기존의 전기모터로 사용하되, 그 외의 동력전달 매커니즘 및 골격을 유연하면서 가볍게 개발한 형태의 근력증강 시스템이 여러 분야에서 연구되고 있으며, 대체 동력원에 대한 원천 연구 또한 활발히 이뤄지고 있다.

(그림 2)

슈트형 근력증강 시스템

[출처] Flickr, U.S. Army RDECOM, CC BY 2.0. https://www.flickr.com/photos/rdecom/15425609411

군사 분야에 활용되는 슈트형 근력증강 시스템은 가볍고 착용자의 동작을 방해하지 않으면서 동력을 전달하여 근지구력을 향상시켜주기 위한 형태로 개발되어왔다. 2014년 이전부터 외골격형 근력증강 시스템뿐만 아니라 자체적으로 슈트형 근지구력 증강 시스템을 개발 중이던 DARPA는, Harvard 대학교와 협업하여 2016년 군인들의 근지구력을 향상시켜주기 위한 슈트형 근력증강 시스템인 Soft ExoSuit을 개발하였다. 이 시스템은 와이어를 통해 전기모터의 동력을 실제 인체의 힘줄이 골격과 맞닿는 부분에 전달하는 케이블(Cable-driven) 구동방식을 활용한다. 특히 이 시스템은 유연하게 동력을 전달함과 동시에 착용자의 움직임 또한 유연한 소프트 센서를 통해 측정하는 것이 특징이다.

산업 분야에 적용되는 슈트형 근력증강 시스템은 외골격형 근력증강 시스템과 유사하게 착용자의 근력을 향상시키면서 경량화 및 착용 편의성을 극대화한 시스템이 주류를 이루고 있다. 슈트형 근력증강 시스템 중 산업 환경에 적용된 초기의 시스템은 2006년 Panasonic에서 개발한 Realive[13]와 같은 형태였다. 착용자의 양팔 중 한쪽 팔의 동작을 다른 한쪽 팔이 따라 하는 Master-Slave 매커니즘을 활용한 Realive는 비접촉 위치 측정 센서를 통해 센싱한 동작을 공압모터 기반의 8개의 인공 근육이 동력을 전달하는 시스템으로 Panasonic의 전자산업시스템에 적용된 바가 있다고 한다. 이와 같이 근로자의 상지 전체를 증강시키는 시스템이 초기 아이디어였다면, 최근에는 손의 악력을 증강시키는 근력증강 시스템이 개발되고 있다. 2016년 GM과 NASA에서 개발한 Robo-Glove[14]는 장갑 형태의 악력증강 시스템으로 건설현장 및 조립 라인 근로자에 적용할 목적으로 개발되었다. 이는 공압모터 기반의 동력 시스템을 통해 착용자의 움직임을 방해하지 않으면서 근력을 보조할 수 있도록 인체공학적으로 설계된 시스템이다.

슈트형 근력증강 시스템은 외골격형과는 다르게 시스템 자체의 무게의 분산이 불가능하여 그 무게를 모두 착용자가 부담할 수밖에 없다. 그렇기에 재활 및 트레이닝 분야에 적용되는 슈트형 근력증강 시스템에서는 다른 분야보다 경량화가 필수적이다. 최근 2016년에 서울대학교 조규진 교수팀에서 개발한 Exo-Glove Poly[15]는 불편한 상지 운동에 의해 여러 생활이 제약되는 뇌졸중 환자를 위한 상지 운동 보조 시스템이다. 기존의 시스템의 단점을 상당부분 개선했다는 점에서 세간의 이목을 끌었다. 기존의 장갑 형태의 보조 시스템의 단점으로 지적되던 위생적 문제, 활용성, 가격, 착용성 등을 상당 부분 개선한 Exo-Glove Poly는 상용화를 앞두고 있다고 밝힌 바 있다. 반면, 경량화를 극대화하기 위해 기존의 방식과 상당부분 다른 형태의 슈트형 근력증강 시스템도 있다. 이는 전극 부착 슈트형 근력증강 시스템으로 기존의 근력증강 시스템과 같이 외부의 동력원을 통해 신체를 보조하는 형태의 시스템이 아니라 신체 자체의 운동성을 증강시키기 위해 전기적으로 근육을 자극하는 시스템이다. 최초의 시스템은 Sigmedics의 Parastep [16]이 대표적이다. 척수가 손상되어 하지의 운동능력을 완전히 상실한 SCI(Spinal cord injury) 환자를 대상으로 전기로 근육을 자극하여 인위적으로 근수축을 발생시켜 근력을 증강시켜 일어서고 걷는 동작을 수행할 수 있도록 보조하였다. 하지만 전기적 자극을 통한 근수축 매커니즘의 근본적인 한계인 근피로 문제를 극복하지 못해 현재는 연구가 많이 고착된 상태이다. 하여 최근에는 이러한 한계를 피해 적용될 수 있는 EMS (Electrical muscle stimulation) 트레이닝 장비와 같이 전극을 근육에 부착하여 쉬고 있는 동안에도 근육의 주기적인 수축을 유발함으로써 헬스 운동을 한 것과 같은 효과를 주는 시스템이 개발되고 있다[17].

그러나 무엇보다 최근에 슈트형 근력증강 시스템이 재활 및 트레이닝 분야에서 더욱 각광받는 이유는 EAP(Electro-active polymer)와 TRP(Temperature-responsive polymer) 등의 신소재 개발로 인해 구동부 간소화 연구가 활발해졌기 때문이다. 더불어 사회 인구의 빠른 고령화로 인한 실버산업 개발의 수요가 급증함에 따라 노인을 목적으로 한 슈트형 근력증강 시스템이 새로운 미래기술로서 자리 잡고 있다. (그림 3)에서 볼 수 있듯이 최근 Superflex에서 개발한 Aura power clothing[18]은 전기활성고분자인 EAP 기술을 적용한 노인의 일상생활 보조용 슈트형 근력증강 시스템이다. EAP 기술을 통해 근육의 운동을 모방한 전기활성 인공근육을 개발한 Superflex는 디자인적인 측면 또한 고려하기 위해 산업 디자이너와 협업하여 2017년에 시작품을 발표하였으며, 2018년 중순까지 상용화를 목표로 하고 있다고 한다.

(그림 3)

Aura Power Clothing

[출처] Flickr, ‘The Aura Powered Suit’ by Yves Behar, Fuseproject and Superflex, Design Museum, CC BY-SA 2.0.

외골격형 근력증강 시스템에 사용된 액추에이터 기술은 기존의 기계 및 로봇 공학 분야의 기술을 그대로 적용하거나 일부 변경 및 개선을 거쳐서 적용되기 때문에 크게 다르지 않다. [19]에는 로봇에 사용되는 PMDC (Permanent Magnet DC) 모터, BLDC(Brushless DC) 모터, 스테핑 모터, 초음파 모터와 공압식 인공근육을 이용한 액추에이터 부품의 동작 원리 및 기술 동향을 정리하고 있다.

슈트형 근력증강 시스템에서는 유연한 액추에이터에 대한 요구사항으로 인공근육을 많이 사용하며, 그 소재로는 탄소나노튜브, 복합체 나일론, EAP, TRP, 공압 튜브 등을 활용하고 있다. 한양대학교 김선정 교수와 국제공동연구팀은 최근 고분자 섬유와 탄소나노튜브의 하이브리드형 인공근육 개발내용을 사이언스 학술지에 발표하였다[20]. 이 인공근육은 굽힘, 수축, 이완 비틀림까지 가능하며 일반적인 내연엔진의 질량당 전력밀도보다 4배 높은 4.2kW/kg의 수축성 전력밀도를 갖는다고 한다. 또한, 디즈니 리서치는 나일론 소재인 SCP (Super-coiled polymer)에 전류를 흘려보내면 열 발생과 함께 코일처럼 말리면서 수축되는 성질과 차가워지면 늘어나는 성질을 이용한 TRP 기반의 인공근육 로봇팔을 제작하였으며[21], SRI International은 전기 신호가 인가될 시 특정 강성을 형성하면서 수축 및 이완 운동을 하는 EAP 기반의 인공 근육을 개발한 바 있다[22]. 더불어 공압 튜브를 활용한 인공근육의 개발 예로는 서울대학교 박용래 교수팀의 공압 인공근육이 최대 103kPa의 공압력과 25%의 수축률을 갖는다고 밝혀진 바 있다[23].

하지만 앞서 나열한 인공근육들은 비교적 큰 힘을 낼 수 있으나, 수축 대비 이완 반응속도가 느리고 정밀한 제어가 어렵다는 공통된 단점으로 인해 아직까지는 근력증강 시스템에 접목되기 쉽지 않다. 또한, 공압 튜브의 경우 수축과 이완의 반응 속도가 다른 인공근육과 비교하여 상대적으로 빠르나 이 시스템 역시 정밀제어가 어렵고, 특히 압축 공기를 생성할 수 있는 공기압축장치 등의 부수적인 장비가 필요하다는 단점이 있다.

근력증강 시스템이 기존의 로봇 기술에서 많은 부분을 활용하고 있지만, 기존 시스템과 가장 큰 차이점은 사람이 로봇을 입고 사용하기 때문에 사람과 로봇이 일체화되어 움직여야 한다는 점이다. 예를 들어, 휴머노이드 로봇에서는 로봇 주변 환경 및 상황을 파악하는 것이 중요했다면, 착용형 근력증강 시스템에서는 외골격이나 슈트를 입고 있는 사람의 움직임이나 의도를 파악하여 사용자가 다치지 않고 방해 받지 않으면서 보조받을 수 있도록 제어가 되어야 한다. 즉, 근력증강 시스템에서는 사용자가 관절을 움직이려고 하는지, 멈추려고 하는지, 힘을 더 쓰려고 하는지, 빼려고 하는지 등의 동작 의도를 감지하고, 사용자의 의도에 맞추어 액추에이터를 정밀하게 제어해야 한다.

<표 4>에는 [24]에서 분석한 능동적 동작보조 장치에서 동작 감지를 위해 사용되는 비침습 방식 중에서 근력증강 시스템에 사용 가능한 방식을 발췌하여 정리하였다. 사용자의 동작 의도를 파악하기 위해서 뇌활동, 근활성, 근수축, 신체 움직임, 신체 힘/압력 등의 생리현상을 사용할 수 있음을 보여 주고 있다. [25]에서는 하지 근력보조를 위한 외골격형 시스템에서 사용자의 보행주기를 판단하기 위해 신발 또는 인솔에 On/Off 스위치, FSR(Force-sensitive resistor) 센서, IMU(Inertial measurement unit) 센서, 공압 튜브를 이용한 압력 감지 센서 등을 사용한 예와 방법들이 잘 분석되어 있다. 또한 앞서 설명한 바와 같이 HAL은 착용자의 피부에 장착된 EMG(Electromyogram) 센서를 통해 생체 전위 신호를 측정하여 사용자의 동작의도를 파악하고, 장착자의 움직임을 보조하듯이 외골격형 시스템이 동작하도록 설계되었고, 한양대의 HEXAR(Hanyang exoskeletal assistive robot)[26]는 근육의 변화를 측정하는 MCRS(Muscle circumference sensor) 센서를 이용하여 근 둘레의 변화 측정으로 사용자의 동작 의도를 파악하여, 외골격형 시스템의 모터를 제어하고 동작을 보조한다. 마찬가지로 앞서 소개된 Soft ExoSuit는 옷 위에 장착 가능한 신축 유연한 실리콘에 주입된 액체금속을 이용하여 스트레인 게이지형 소프트 센서를 개발하였고, 관절의 움직임에 따른 센서의 저항변화를 이용하여 사용자의 움직임을 센싱하고 사용자의 보행주기에 맞추어 시스템을 제어하도록 하였다. 이와 같이 다양한 센서를 이용하여 사용자 움직임 및 의도를 파악하려는 노력에 비하여 현재의 기술 수준은 아직 사용자를 만족시키지 못하고 있는 상황이다.

<표 4>

동작의도 파악을 위해 사용되는 비침습식 방법[24]

[i]

[출처] J. Lobo-Part et al., J. NeuroEng. Rehabilitation, vol. 11, 2014, pp. 1–22, CC BY.