Longevity of continuous prosthetic finger control using implanted electromyographic signals without recalibration
이 연구는 사용자가 성능 유지를 위해 근육 활성화 패턴을 적응시킴에 따라, 디코더 재보정 없이도 삽입형 근육 내 근전도 신호가 원숭이와 인간 모두에서 의수 손가락의 안정적이고 장기적인 연속 제어를 제공할 수 있음을 입증한다.
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팔을 잃은 수백만 명의 사람들에게 자신의 팔처럼 느끼고 움직이는 로봇 손에 대한 꿈은, 손에 무엇을 할지 알려주는 신호가 너무 노이즈가 심하거나 너무 일시적이어서 신뢰하기 어렵다는 좌절스러운 현실에 의해 오랫동안 가로막혀 왔습니다. 오늘날 가장 흔한 의수들은 피부에 붙인 센서를 통해 근육 활동을 감지하지만, 이 센서들은 미끄러지거나, 땀이 나거나, 접촉을 잃을 수 있어 사용자가 장치를 계속 멈추고 재보정하게 만듭니다. 이러한 빈번한 조정의 필요성은 개별 손가락을 움직이는 데 필요한 깊고 복잡한 신호를 포착하는 어려움과 결합되어, 고급 로봇 손이 일상생활의 실질적인 해결책이 되는 것을 방해해 왔습니다. 연구자들은 피부를 완전히 우회하여 팔 내부의 신경과 근육에 직접 귀를 기울임으로써, 끊임없는 손질 없이도 손을 제어할 수 있을 만큼 안정적인 신호를 찾아내고자 더 안정적인 연결 고리를 오랫동안 추구해 왔습니다.
새로운 연구에서 과학자들은 로봇 손을 재보정 없이 몇 달 동안 연속적으로 제어할 수 있음을 입증함으로써 그 목표를 향한 중요한 진전을 이루었습니다. 이 연구에는 두 명의 매우 다른 참가자가 참여했습니다: 팔이 온전한 레서스 원숭이와 오른쪽 손을 팔꿈치 아래에서 잃은 여성입니다. 두 참가자 모두 남은 팔 근육 깊숙이 미세 전극을 수술로 이식받았습니다. 이 전극들은 피부를 우회하여 근육이 수축할 때 근육이 보내는 전기적 충격을 포착하도록 설계되었으며, 이를 통해 더 명확하고 직접적인 신호를 잡아냅니다. 연구팀은 원숭이와 여성 모두에게 화면상의 가상 손을 제어하도록 가르쳤는데, 한쪽에는 검지 손가락들을, 다른 한쪽에는 중지, 약지, 소지 손가락들을 모아 디스플레이에 나타나는 무작위 목표물을 맞히도록 했습니다.
연구진은 먼저 컴퓨터 프로그램이 근육 신호를 손가락 움직임으로 번역하도록 훈련시켰습니다. 그들은 두 가지 다른 유형의 컴퓨터 프로그램을 테스트했습니다: 움직임을 추측하기 위해 단순하고 선형적인 방법을 사용하는 프로그램과, 시간이 지남에 따라 패턴을 학습하도록 설계된 더 복ло적인 비선형 접근 방식을 사용하는 프로그램입니다. 원숭이가 단순한 선형 프로그램을 사용했을 때, 원숭이는 자연스러운 손 기능의 63% 수준의 성과로 목표물을 맞히는 데 성공했습니다. 동일한 유형의 단순한 프로그램을 사용한 여성 참가자는 자연스러운 손 기능의 56%를 달성했습니다. 더 복잡한 프로그램이 원숭이의 성과를 더 높여주었지만, 오히려 인간의 제어 능력은 저하시켰는데, 이는 손이 없는 사람에게는 더 단순하고 예측 가능한 제어 시스템이 배우고 사용하기에 더 쉬울 수 있음을 시사합니다.
연구의 가장 놀라운 부분은 그다음 단계에서 나타났습니다. 연구진은 컴퓨터 프로그램을 재학습시키는 능력을 끄고, 참가자들에게 첫날 받았던 것과 정확히 동일한 설정을 계속 사용하도록 요청했습니다. 그들은 다음 몇 달 동안 원숭이와 여성이 과업을 수행하는 모습을 관찰했습니다. 원숭이는 동일한 설정을 148일 동안 사용했고, 여성은 283일 동안 사용했습니다. 생 근육 신호가 매일 약간씩 변했음에도 불구하고, 두 참가자 모두 가상의 손가락을 제어하는 능력에서 유의미한 저하를 보이지 않았습니다. 그들의 성공률은 높게 유지되었으며, 첫날과 동일한 속도와 정확도로 목표물을 맞힐 수 있었습니다.
이러한 안정성은 근육 신호 자체가 완벽하게 일정하게 유지되었기 때문에 발생한 것이 아니었습니다. 실제로 연구진이 생 데이터를 자세히 살펴보았을 때, 근육 신호의 강도가 매일 눈에 띄게 변화하는 것을 확인했습니다. 대신, 이 안정성은 사용자 자신으로부터 왔습니다. 연구 결과, 원숭이와 여성 모두 컴퓨터가 기대하는 특정 패턴에 맞추기 위해 무의식적으로 근육을 활성화하는 방식을 조절한다는 사실이 밝혀졌습니다. 신호가 변하더라도, 사용자들은 원래의 지침에 맞게 근육 활동을 형성하여 일일 변동 사항을 효과적으로 보완하는 법을 배웠습니다. 이는 신뢰할 수 있는 의수의 비결이 단지 완벽하고 변하지 않는 신호를 찾는 것이 아니라, 도구와 함께 작동하기 위해 자신의 움직임을 적응시키는 인간 뇌의 놀라운 능력에 의존하는 것일 수 있음을 시사합니다.
이 발견은 의수 기술에 희망적인 길을 제시합니다. 전극을 근육에 직접 이식함으로써, 연구진은 단 한 번의 재보정 없이 거의 1년 동안 유용하게 유지되는 연결을 만들어냈습니다. 비록 이 연구가 참가자들이 컴퓨터에 연결된 전선을 착용한 통제된 환경에서 수행되었지만, 이 결과는 이 기술이 궁극적으로 무선 방식의 일상적 사용을 지원할 수 있음을 시사합니다. 이 작업은 인체가 단순히 신호의 수동적인 원천이 아니라, 기계와 안정적인 연결을 유지하기 위해 스스로 학습하고 적응할 수 있는 능동적인 파트너라는 점을 강조합니다. 이 발견은 고급 로봇 손이 오랫동안 괴롭혀온 끊임없는 조정의 필요 없이, 매일 반복되는 일상 속에서도 신뢰할 수 있게 작동할 수 있는 미래를 향해 이 분야를 한 걸음 더 가까이 이동시켰습니다.
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