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VOL.91 · August 25 · 2017 · Korean

Technology  ______  착용형 근력증강 기술 동향
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입으면 힘이 강해지는 슈트가 있다?

영화 속 슈퍼히어로들은 특수한 옷을 입으면 초인적인 힘이 나와 악당을 물리친다. 어린 시절 누구나 한 번쯤 영웅들의 첨단 슈트를 부러워한 적이 있을 것이다. 이러한 슈트가 실제로 존재한다면 어떨까? 실제로 첨단 슈트까지는 아니지만, 인간의 근력을 증강 시키는 다양한 연구가 오래전부터 진행되어 오고 있다. 근력증강 기술이란 인간 본인이 가지고 있는 근력을 보조하거나 더 큰 힘을 낼 수 있도록 도와주는 기술이다.

사람의 근력을 향상시키는 근력증강 시스템

근력증강 시스템은 공장 현장에서 근로자가 무거운 물체를 나르는 것을 도와 생산성을 높이거나, 전투현장에서 군인이 무거운 배낭을 메고 먼 거리를 이동하는 등의 일을 보조하여 전투력을 높이는 방향으로 개발되어 왔다. 최근에는 딱딱한 재질이 아닌 직물이나 유연 소재를 활용하여 사용자의 움직임을 방해하지 않고 착용성 및 활동성을 높인 근력 보조 시스템이 연구됨으로서 특수 분야가 아닌 일반인을 대상으로 일상생활에 근력 보조 슈트를 사용할 수 있을 것으로 기대되어 관련 시장과 기술에 관한 관심이 높아지고 있다. 근력증강 시스템은 시스템을 이루는 재료와 구조, 동작 방식에 따라 크게 단단한 외골격형 (Rigid exoskeleton) 근력증강 시스템과 부드러운 슈트형(Soft exosuit) 근력증강 시스템으로 구분할 수 있다. 곤충처럼 몸을 지탱하는 골격이 외부에 있다고 해서 이름 붙여진 외골격형 시스템은 1960년대 GE 연구소가 미 해군의 지원을 받아 개발한 Hardiman이 처음으로 등장했다. 680kg 무게의 Hardiman은 그만큼의 무게를 들 수 있다. 반면 소프트 슈트형 시스템은 활동성이 강조된 슈트 형태의 시스템으로 Harvard 대학교 Wyss 연구소의 C. Walsh 교수팀이 개발한 슈트형 시스템인 Soft ExoSuit가 대표적이다. 이 시스템은 비대부분에 장착된 모터를 이용하여 허벅지와 종아리를 거쳐 신발 뒤축으로 연결된 와이어를 보행 리듬에 맞춰 당겨줌으로써, 다리를 들어 올릴 때 적은 힘으로 다리를 움직일 수 있다

근력의 크기를 향상시키는 외골격형 근력증강 시스템

외골격형 근력증강 시스템의 장점은 단단한 알루미늄이나 플라스틱의 프레임을 통하여 구동기의 회전력을 그대로 신체 관절에 전달하기에 쉽다는 것이다. 또한, 신체의 외부에 위치하여 시스템 자체의 무게와 가반하중을 대신 지탱할 수 있다. 그러나 신체에 비해 크고 무거워 시스템이 비대해질 수 있으며 소재의 큰 관성(Inertia)이 시스템의 요구 출력을 높여 전력소비가 높아지는 단점이 있다. 외골격형 근력증강 시스템은 착용자 근력의 크기를 향상하는 데 적합해 대체로 군사목적이나 산업 환경에서 쓰인다. 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 개발된 외골격형 근력증강 시스템 중에서는 2009년 HULC(Human universal load carrier)가 대표적이다. HULC는 착용자 기준으로 앞/뒤 모두 가반하중을 지탱하면서 최대 8시간 운용할 수 있다. HULC의 성공사례 이후, 각 나라에서도 해당 국가의 국방부 지원으로 군사목적 착용형 로봇의 개발이 활발히 진행되었다. 프랑스 국방부와 DGA(Directorate General Armaments)의 지원으로 개발된 Hercule은 약 100kg의 가반하중을 극복할 수 있으며 최대 약 5시간 동안 최대 시속 8km의 보행 속도로 20km를 보행할 수 있다고 발표했다. 산업 환경에서는 근무 특성상 공사 및 산업 현장에서 고중량의 화물을 운반해야 하는 경우가 많다. 따라서 근로자가 극복할 수 있는 최대 하중을 증가시켜주는 형태로 활용되고 있다. 최근에는 국내의 현대자동차와 대우조선해양에서 착용자가 고중량 화물을 운반할 수 있게 도와주는 산업로봇을 개발했다고 발표했다. 현대 자동차의 근력증강 시스템은 50kg의 화물을 들고 있는 채로 6km/h의 속도로 평지, 계단, 경사면을 보행할 수 있다. 한편, 대우조선해양의 근력증강 시스템은 최근 수중 로봇도 검토 중이라고 발표했다. 재활과 트레이닝 분야의 외골격형 근력증강 시스템은 운동능력이 부족하거나 상실된 환자의 운동을 보조하거나 대체해 주는 형태로 다양하게 개발되고 있다. 이중 가장 활발한 분야는 노인을 위한 보조 로봇과 하지완전마비 장애인을 위한 보행보조 로봇이다. Cyberdyne의 HAL(Hybrid assistive limb)는 근육을 움직이기 위해 뇌가 전달하는 전기신호를 피부에서 감지하여 로봇을 제어해 중추신경계 손상 때문에 운동 기능을 상실한 환자에게 재활 목적으로 사용되고 있다.

재활·트레이닝 분야, 새로운 미래 기술 슈트형 근력증강 시스템

슈트형 근력증강 시스템은 직물과 와이어 등으로 구성된다. 따라서 가볍고 착용성이 우수하다는 장점이 있다. 하지만 현재까지 개발된 직물 형태의 구동기는 자체의 출력이 낮을 뿐만 아니라 동력을 직선 운동만으로 신체에 전달할 수 있으며, 그 직선운동을 회전운동으로 변환하는 과정에서 동력 전달 효율이 떨어지는 단점이 있다. 또한, 외골격형 근력증강 시스템과는 다르게, 외부하중을 시스템이 지탱해줄 수 없기에 무거운 무게를 드는데 한계가 있다. 이러한 한계와 단점이 있음에도 슈트형 근력증강 시스템이 각광받는 이유는 근력을 사용할 타이밍, 정확도, 자세를 통틀어 보조하며 부드럽고 유연하고, 높은 적응성과 안전성으로 인간과의 상호작용에 유리하기 때문이다. 특히, 의복 형태로 구현할 수 있고, 착용자 스스로 입고 벗기 편리하므로 차세대 착용형 근력증강 시스템 기술로 주목받고 있다. 군사 분야에 활용되는 슈트형 근력증강 시스템은 가볍고 착용자의 동작을 방해하지 않으면서 동력을 전달하는데 용이하므로 근지구력을 향상시켜주기 위한 형태로 개발되어왔다. DARPA는 Harvard 대학교와 협업하여 2016년 군인들의 근지구력을 향상시켜주기 위한 슈트형 근력 증강 시스템인 Soft ExoSuit을 개발하였다. 이 시스템은 와이어를 통해 전기모터의 동력을 실제 인체의 힘줄이 골격과 맞닿는 부분에 전달하는 케이블 구동방식을 활용한다. 산업 분야에 적용되는 슈트형 근력증강 시스템은 외골격형 근력증강 시스템과 유사하게 착용자의 근력을 향상시키면서 경량화 및 착용 편의성을 극대화한 시스템이 주류를 이루고 있다. 초기에는 근로자의 상지 전체를 증강시키는 시스템이 주를 이뤘으니, 최근에는 손의 악력을 증강시키는 근력증강 시스템, 공압모터 기반의 슈트형 근력증강 시스템 등은 착용자의 움직임을 방해하지 않으면서 큰 동력을 전달할 수 있기에 산업 분야에 다양하게 적용되고 있다. 재활이나 트레이닝 분야에 적용되는 슈트형 근력증강 시스템은 외골격형과는 다르게 시스템 자체의 무게의 분산이 불가능하여 그 무게를 모두 착용자가 부담할 수밖에 없다. 그렇기에 재활이나 트레이닝 분야에 적용되는 슈트형 근력증강 시스템에서는 다른 분야보다 경량화가 필수적이다. 2016년에는 서울대학교에서 불편한 상지 운동에 의해 여러 생활이 제약되는 뇌졸중 환자를 위한 상지 운동 보조 시스템을 개발했다. 최근에는 EAP(Electro-active polymer)와 TRP(Temperature responsive polymer) 등의 신소재 개발로 인해 구동부 간소화 연구가 활발해짐에 따라 재활 및 트레이닝 분야의 슈트형 근력증강 시스템에 다방면으로 적용이 되고 있다. 고령화로 인한 실버산업 개발의 수요가 급증함에 따라 노인을 목적으로 한 슈트형 근력증강 시스템이 새로운 미래기술로서 자리 잡고 있다.

액추에이터 기술과 사용자 움직임과 동작의도를 파악하는 기술

앞서 설명한 바와 같이 근력증강 시스템은 다양한 분야의 기술이 복합적으로 적용되지만 이들 중 성능에 직접적인 영향을 주는 핵심기술은 액추에이터 기술과 사용자의 움직임과 동작 의도를 파악하는 기술이다. 여러 분야에서의 기술 발전에 의해 보다 나은 액추에이터와 사용자 동작 의도 파악 알고리즘을 위한 연구는 계속 되어왔다. 하지만 이러한 근력증강 시스템이 최종적으로 실제 고령자를 대상으로 한 근력 보조 수단으로 활용되기 위해서는 아직 해결해야 할 많은 과제가 남아있다. 무엇보다도 근력이 약한 고령자를 대상으로 할 경우 시스템의 무게와 부피를 줄이는 것이 큰 과제일 것으로 예상되며, 혼자서도 쉽게 입고 벗을 수 있어야 하고, 고령자라 하더라도 여러 사람의 시선을 고려했을 때 사용자가 수용 가능한 디자인과 동작 소음 등이 고려되어야 할 것이다. 또한, 기능적으로 낙상을 감지하고 부상 방지나 보행 지원과 같은 기능도 부가적으로 개발되어야 할 것이다.





※ 논문 다운받기(논문 저자 : 웨어러블컴퓨팅연구실 이동우, 손용기 책임연구원 / 김배선 선임연구원 / 정준영 연구원 / 신형철 책임연구원·실장)
- 본 글은 전자통신동향분석 논문을 재구성하여 작성했습니다. 자세한 내용은 논문을 확인해주시기 바랍니다. -

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