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휴 M.허 미국 매사추세츠공대(MIT) 생체공학센터 교수 연구팀은 의식적으로 신경 쓰지 않아도 계단을 오르고 장애물을 넘을 수 있는 로봇 다리의 임상시험 결과를 2일 국제학술지‘네이처’에 발표했다.
허 교수는 10대 후반인 1982년 등반을 하다가 눈보라에 갇혀 심각한 동상을 입었고 두 다리를 모두 절단하는 수술을 받았다.자신의 이 같은 경험을 학업으로 이어간 허 교수는 사람의 다리를 대신할 수 있는 로봇 시스템을 개발하는 생체물리학자가 됐다.
허 교수는 다리를 잃은 환자인 만큼 같은 상황에 놓인 환자들의 입장을 누구보다 잘 알고 있다.다리를 절단한 환자들은 의족 착용 시 실제 자기 다리 같은 느낌을 받고 싶어 한다는 점에 착안해 의족 개발에 나선 것이다.
현재 존재하는 대부분의 생체공학 의족은 미리 설정한 알고리즘에 따라 움직임을 구동한다.미리 입력해놓은 모드에 따라 보행 상황별 모드 전환이 이뤄진다.고급 생체공학 의족일수록 더 잘 걸을 수는 있지만 환자 스스로 다리를 제어한다는 느낌을 받기보다는 알고리즘에 따라 다리의 움직임이 제어된다는 느낌을 받게 된다.
연구팀은 다리를 절단한 환자가 의족을 실제 자기 다리처럼 제어할 수 있도록 만드는 방법을 개발해 임상시험을 진행했다.연구팀은 무릎 이하를 절단하는 수술을 받은 환자 14명 중 절반인 7명에게 연구팀이 개발한 의족을 착용하도록 한 뒤 효과를 확인했다.
의족을 착용하기 전에는 우선 다리의 남은 근육 부위에‘작용-길항 근신경계 인터페이스(AMI)’라는 수술 기법을 적용했다.AMI는 하나의 근육이 수축할 때 다른 근육이 늘어나도록 근육 쌍끼리 연결하는 수술로,라모라자연스러운 근육 움직임을 재현하는 것이 목표다.이는 근육량을 보존하면서 걸을 때 통증도 줄일 수 있는 방법이다.
AMI 수술을 받은 환자들은 연구팀이 개발한 생체공학 의족을 착용했다.이 의족은 센서가 내장된 인공 발목,라모라전극이 부착된 표면 등으로 구성된다.센서와 전극은 절단 부위의 근육에서 생성된 전기 신호를 잡아 해독할 수 있도록 돕는 역할을 한다.의족 무게는 2.75kg으로 일반적인 다리 무게와 비슷한 수준이다.
연구팀이 개발한 의족을 착용한 참가자들은 5도 경사가 있는 표면 걷기,계단 오르기,장애물 넘기 등 다양한 테스트에 참여했다.일반 로봇 의족을 착용한 환자들보다 나은 보행 능력을 보였다.걸음 속도는 41% 향상됐고 균형 감각,계단 오르기,장애물 넘기 등의 능력도 개선됐다.
연구팀이 개발한 의족을 착용한 환자들은 티타늄,실리콘,다양한 전기기계부품들로 구성된 로봇 다리임에도 불구하고 자신의 다리처럼 자연스럽게 움직일 수 있었다고 답했다.의식적인 노력 없이 보행이 가능했다는 설명이다.
연구팀은 “사람의 신경이 100% 의족을 제어해 자연스러운 보행 패턴으로 이어질 수 있다는 점을 확인한 최초의 연구”라고 말했다.
이어 “절단 수술을 받은 사람들은 자신의 팔이나 다리를 스스로 통제한다는 느낌을 받고 싶어 한다”며 “몸의 일부가 된 것처럼 느끼려면 신경 인터페이스가 필요하다”고 말했다.전극은 땀과 같은 물기에 민감한다는 점에서 전력 질주와 같은 상황에서도 제대로 작동할 수 있는 의족을 개발하는 과제가 남았다.
<참고 자료>
doi.org/10.1038/s41591-024-02994-9
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