매사추세츠공과대학교(Massachusetts Institute of Technology: MIT)와 상하이 자오퉁대학교(Jiao Tong University)의 연구진들이 공기주입식 의수를 만들었다. 비슷한 기능의 기존 보철물에 비해 제작 비용이 훨씬 저렴하다. 

공기를 주입해 부풀리는 이 의수는 남아있는 근육 신호들을 찾아내 사용자가 의도하는 대로 움직이는 일종의 신경보철물이다. 예를 들어, 주스를 따르고 여행 가방의 지퍼를 채우는 행동도 가능하다.

상하지 보철물은 무거운 금속으로 제작되는 경우가 대부분이라 제작 가격이 10만 달러(약1억 1,600원)에 달하지만, 이 공기주입식 제품은 가볍고 부드러우며 500달러(약58만원)면 제작이 가능하다.

공기주입식 의수를 낀 사람들은 집기와 손바닥을 오므리는 등 4가지 종류의 쥐는 동작을 할 수 있다. 

따라서 상지 결손을 가지고 있지만 고가의 보철물을 구입할 여력이 없는 전세계 5백만 여명에게 앞으로 크게 도움을 줄 수 있을 것으로 보인다.

저렴하면서도 성능 또한 기존의 신경보철물과 비슷하거나 월등한 수준이어서 연구진은 그 잠재력에 크게 기대를 걸고 있다.

쉬안허 자오(Xuanhe Zhao)를 위시한 MIT 연구진과 중국의 상하이 자오퉁대학교 연구진이 공동 집필한 공기주입식 의수에 대한 논문은 네이처 바이오메디컬 엔지니어링(Nature Biomedical Engineering)지 8월호에 실린다.    

논문에서는 탄성을 지닌 상업용 엘라스토머 에코플렉스(EcoFlex)를 소재로 만든 5개의 관절식 손가락을 3D 프린팅 방식으로 맞춤 제작한 “손바닥”에 부착해 의수를 만드는 방법이 개괄되어 있다.    

의수는 전기 모터가 아닌 공압 시스템을 이용해 움직인다. 시스템에는 손목에 차는 소형 펌프와 밸브가 포함되어 있고, 이 펌프가 가하는 압력에 따라 손가락의 위치가 좌우된다.

정확한 손가락 위치를 만드는데 필요한 압력의 양을 찾아내는 일에는 컴퓨터 모형이 동원된다.

공기를 넣어 부풀리는 손가락은 “풍선”같지만, 그 속에 퍼져있는 섬유마디들은 실제 손가락에 있는 관절뼈와 유사하다.

이 의족으로는 손가락 두세 개를 모아 집고, 주먹을 쥐며, 손바닥을 오므리는 등 네 가지의 일반적인 잡기동작을 취할 수 있다.

근전도(EMG) 센서가 살아있는 손 근육의 전기신호를 잡아내서 사용자가 주먹을 쥐는 상상을 하면 의수가 주먹을 쥔다.

연구진은 시스템의 조절기를 프로그램하기 위해 근육 신호를 잡기 타입으로 옮기는 기존의 알고리즘을 활용했다.

잡기 동작은 촉감피드백에 의해 더욱 정교해진다. 손가락 끝마다 압력 센서를 달아 상대적인 전기 신호를 생산하고, 이를 통해 사용자는 손가락에 전해지는 압력을 느끼고 그에 따라 반응할 수 있게된다.

연구진은 신경보철물 가운데 이러한 기능은 드물다고 말한다.

사용자가 장치를 끼고 15분간의 EMG  훈련모듈을 실시하기만 하면 292g에 불과한 공기주입식 의수를 사용할 준비는 완료된다. 이어서 팔의 근육을 수축하면서 다양한 잡기동작을 상상하면 의수는 사용자의 생각과 동기화된다.  

현재까지 사용자 테스트에 참가한 인원은 두 명이다. 이들은 펜으로 글씨쓰기, 책장 넘기기, 여러 무게의 물건 집어올리기 등 강도와 민첩함이 필요한 동작들을 수행했다.

연구진은 비교연구를 위해 시중에 나와있는 생체공학적 의수를 테스트했고, 그 결과 공기주입식 장치가 동일하거나 더 나은 성능을 보인다는 사실을 발견했다.

테스트 참가자 중 한 명은 설정된 네 개의 잡기동작 외에 고양이 쓰다듬기와 악수하기 등의 동작들을 직관적으로 할 수 있었다.

그는 눈을 가린 상태에서도 어떤 손가락이 눌리거나 스치는지 구별할 수 있었고 손에 잡은 물체를 “느낄” 수도 있었다.

EMG 신호의 질적 불균형과 개인 별 적응도의 차이가 상이한 결과로 이어졌지만 두 명의 피험자 모두 긍정적인 경험을 했다고 자오는 설명했다.

“한 피험자는 ‘매우 가볍고 편안하며 사용하기 편하다’라고 말했고, 또 다른 피험자는 ‘친구를 다치게 하지는 않을까 걱정하지 않고도 힘차게 악수할 수 있다’고 말했다”고 그는 피험자들의 반응을 전했다.

제품 개선 작업이 진행되고는 있지만, 연구 팀은 이 기기에 대한 특허를 출원한 상태다.

“현재는 4종류의 잡기동작이 가능합니다만, 앞으로 더 많은 동작이 추가될 수 있습니다. 디코딩 기술과 근전기 배열에서 진보를 이루고 펌프의 크기를 줄이는 등 발전의 여지가 많다는 설명이다....

원문기사: MIT researchers develop inflatable mind-controlled prosthetic hand (dezeen.com)