인공 팔(Bionic arm)’ 

인간에게 가장 완벽한 도구인 손과 팔을 모방한 인공 팔(Bionic Arm)이 장애인들이 생각하는 대로 움직이고, 손의 감촉을 느낄 수 있다면? 수부 절단 장애인에게 꿈같은 이야기가 곧 현실로 다가올 것으로 보인다. 최근, 인간능력 향상 및 편익 증진을 위해 인간과 동물의 생체원리를 기반으로 한 연구개발 및 정책지원 확대가 활발히 추진 중이다. 특히 첨단기술 기반 고난도 생체모사로 지능과의 연계를 통한 인체에 적용 가능한 기술개발 추진이 국내외에서 활발히 이루어지고 있다. 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 오상록 박사팀은 미래창조과학부 첨단융합기술개발사업의 생체모사형 메카트로닉스 융합기술개발 사업으로 ‘생각대로 움직이고, 느끼는 인공 팔(Bionic Arm) 개발’을 수행하고 있다. 본 연구는 전략적 협력 연구를 진행하는 융합연구 형태의 통합시스템사업으로 2014년에 사업 선정되어 총 6년 간 365억 원(정부 315억, 민간 50억)의 사업비로 수행될 예정이다.  

사업의 성공적 추진을 위해 국내 최고 수준의 협력 연구팀으로 한국과학기술연구원 로봇연구단 김기훈 박사팀(신경신호 측정/분석시스템 개발), 성균관대학교 최혁렬 교수팀(인공피부 및 근육 개발), 한양대학교 최영진 교수팀(인공 골격 및 관절 개발)이 각각 선정되었고, 올해 상기 팀 연구와 연계하여 삽입형 인터페이스 개발을 위한 마지막 연구팀이 추가로 선정될 예정이다. 

현재의 인공 팔(Bionic Arm) 기술 수준은 뇌파, 근전도, 신경다발 등에서 측정되는 제한적인 생체신호를 통한 팔의 위치 정보 및 제스처 획득만 가능하기 때문에, 해독할 수 있는 동작의 수가 제한적이고, 촉감은 느낄 수 없는 수준이었다. 

본 연구사업의 목표는 인체 신경의 신호 전달 원리를 총체적으로 분석하고 신경인터페이스를 구성하여, 복잡한 움직임과 다양한 촉감을 생성하는 생체신호 제어용 신호 처리 기술을 기반으로 인체신경과 연동하여 인체 호환 수준으로 자유롭게 움직이고 물체형상과 온도까지 인식하는 인공 팔(Bionic Arm) 개발에 도달하고자 한다. 

이를 위해 KIST 김기훈 박사팀은 인체의 동작을 위해 뇌에서 근육으로 전달되는 신경신호를 측정하고 분석하고, 연동까지 가능하게 되어 섬세한 손동작 구현이 가능한 바이오닉 암을 개발하고 있다. 또한, 피부에서 뇌로 전달되는 촉감관련 신경신호를 이해하고, 신경을 자극함으로써 인공 팔을 통한 촉감을 복원하고자 한다. 이를 위하여, 삽입형 신경 전극과 이를 이식하기 위한 수술 장비 및 신경/근육 재생 기술을 개발 중이다.

성균관대 최혁렬 교수팀은 바이오닉 암을 구동하기 위하여 고분자 소재를 이용하여 인간의 근육과 유사한 힘을 낼 수 있는 인공근육형 구동기와 인공 팔에 장착할 수 있는 피부를 모사한 3차원 피부센서를 개발 중이다.

한양대 최영진 교수팀은 절단장애인의 남아있는 뼈와 근육들을 최대한 활용하여 구동부를 최소화하고 팔/손의 움직임을 의학적으로 분석하여 사람과 비슷하게 움직이는 인공골격 및 관절 메커니즘을 개발 중이다. 

본 연구사업 총괄책임자인 오상록 박사는 “기존의 근전도 및 뇌 신호 중심으로 센서 또는 구동기 개발에 편중되었던 기술에서 벗어나 신경신호와 직접 연결하여 인체에 적용 가능한 기술인만큼 실제 사용자들에게 기대 이상의 효율성과 삶의 희망을 되찾을 수 있을 것”이라고 말했다. 

이번 연구사업은 바이오 메카트로닉스 및 의료/재활/수술로봇 관련 원천 특허 확보가 가능하며, Bionics 연구, 뇌 질환, 인간-기기 인터페이스, 신경 컴퓨터, 지능형 반도체 칩, 생물 전자 소자, 신경 회로망, 뇌/신경 유전체 기능 연구 등 다양한 분야에서 시장 창출이 가능할 것으로 예상된다. 또한, 국내 약 14만 여명의 상지 절단 장애인들을 위한 부분 의수 및 인공 팔/손으로 적용 가능하여 삶의 질 향상에 기여할 것으로 보인다.