사용자의 의도에 따라 필요한 동작을 취해주는 의수가 개발됐다. 불의의 사고로 손을 잃은 사람들이 의지해온 의수는 가격이 비싸고 무게가 꽤 나가는 단점이 있지만 이번에 개발된 의수는 단돈 500달러(약 59만원)로 저렴하다.
미국 매사추세츠공과대학교(MIT)와 중국 상하이교통대학교 공동 연구팀은 16일 국제학술지 ‘네이처 바이오메디컬 엔지니어링(Nature Biomedical Engineering)’을 통해 저렴하고 가벼우며 촉감도 느낄 수 있는 의수를 공개했다.
의수나 의족은 사고로 손발을 잃은 사람들이 의지하는 보조 기구로 역사가 꽤 오래됐다. 초반에는 잘려나간 신체 부위를 비슷하게 본뜨는 수준이었지만 과학기술이 발달하면서 신경기능을 갖춘 고성능 기구들이 개발돼 왔다. 다만 사지 근육의 전기신호를 감지해 실제 손발처럼 움직이려면 가격이 비싸고 모터 탓에 무게가 나가는 등 단점이 많았다.
두 대학 연구팀은 근전도(EMG) 센서와 실리콘 고무, 경량 공기압 시스템의 조합에 주목했다. 인공 손가락을 바람이 들어간 풍선으로 구성하고 근육의 전기신호를 EMG 센서가 읽어 공기압 시스템을 움직이는 구조를 생각해냈다.
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우선 연구팀은 3D 프린터와 시판되는 저렴한 실리콘 고무 제품(ECOFLEX)을 이용해 속이 빈 손가락 모형을 만들어냈다. 여기에 바람을 넣으면 풍선처럼 부풀어 오르는데 각 손가락 속에 보다 섬세한 움직임을 흉내 내기 위해 섬유 조각들을 주입했다. 실리콘 고무는 제법 강성이 뛰어나 망치로 내리쳐도 견뎌냈다.
연구팀은 이 풍선 손을 허리에 찰 수 있는 작고 가벼운 공기압 시스템에 연결했다. 이를 통해 풍선에 바람을 넣고 빼 손가락을 펴고 굽히는 동작을 재현했다.
이어 사용자가 원하는 대로 손가락을 움직이는 데 필요한 펌프 압력을 조정하는 컴퓨터 모델을 만들었다. 물건을 집거나 주먹을 쥐는 등 손가락의 일반적인 움직임 5개를 구현하기 위해 공기압 시스템에 명령을 내리는 컨트롤러도 제작했다.
마지막으로 사용자의 팔에 EMG 센서를 부착했다. EMG 센서가 운동뉴런에서 나오는 전기신호를 읽고 공기압 시스템으로 보내는 방식으로 손가락을 움직이는 데 성공했다. 운동뉴런이란 신경계를 구성하는 뉴런의 일종으로 척수 같은 중추신경계의 신호를 근육에 전달해 움직이게 한다.
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연구팀 관계자는 "근육 제어를 위해 운동뉴런이 생성하는 전기신호를 EMG 센서가 측정하고 이 신호를 공기압 시스템이 수신하는 방식"이라며 "센서는 손이 절단된 사람이라도 진짜 주먹을 쥐는 것처럼 남은 팔다리의 신호를 포착할 수 있다"고 설명했다.
이어 "근육의 전기적 신호를 복호화해 일반 손동작과 연관 짓는 알고리즘을 사용했다"며 "와인 잔을 들어 올리는 상황을 상상하면 센서가 근육 신호를 감지하고 이에 상응하는 압력으로 변환하게 된다"고 덧붙였다.
실제로 MIT는 팔 절단 사고를 당한 남성이 의수를 장착하고 다양한 동작을 구현하는 실험에 성공했다. 악수를 하거나 컵케이크를 건네받고 고양이를 쓰다듬고 컵에 주스도 따를 수 있었다. 가방 지퍼를 손가락에 걸어 여닫거나 얇은 감자칩을 집게와 엄지손가락으로 집어먹는 것도 가능했다.
이 의수는 간단한 촉각 피드백을 적용해 장착한 사람이 실시간으로 촉감을 느낄 수 있다. 남아있는 사지에 부착된 압력센서를 의수의 각 손가락에 연결해 만지거나 쥐면 압력을 느낄 수 있는 신호가 발생한다. 다양한 디지털 기기에 응용되는 촉각 피드백은 진동이나 힘, 충격을 통해 사용자에 촉감을 전달하는 기술이다.
연구팀 관계자는 "의수가 몇 가지 동작만을 구현하는 만큼 아직 실생활에 적용할 수준은 아니다"면서도 "시스템이 간단하고 제작비가 500달러 선으로 저렴하며 무게도 226g에 불과해 추가 연구를 거치면 얼마든 실제 사용이 가능할 것"이라고 기대했다.
정이안 기자 anglee@sputnik.kr