Sensor-Based Exoskeletal Mirroring System

뇌졸중이나 심각한 부상으로 손을 조절하는 신경이 손상되면, 흔히 미세 운동 능력의 상실이라는 결과가 나타납니다. 팔은 여전히 움직일 수 있지만, 손가락이 물체를 감싸는 형태를 만드는 능력을 잃어, 컵을 집는 것과 같은 단순한 작업조차 불가능한 사투로 변하기도 합니다. 이러한 상태로 살아가는 수백만 명의 사람들에게 표준적인 회복 경로는 손상된 손을 반복해서 움직이는 반복 치료를 포함합니다. 그러나 최근 몇 년 동안 '양측 미러링(bilateral mirroring)'이라는 다른 접근 방식이 주목을 받아왔습니다. 이 개념은 움직임을 복제하려는 뇌의 자연스러운 성향에 의존합니다. 만약 사람이 건강한 손을 움직이면, 뇌는 종종 손상된 쪽으로도 유사한 신호를 보냅니다. 건강한 손의 정밀한 움직임을 포착하여 손상된 손이 이를 따르도록 기계적으로 강제함으로써, 치료사들은 뇌를 재훈련하고 기능을 회복시키기를 희망합니다. 과제는 사용자를 무겁게 만들지 않으면서도, 충분히 가볍고, 뻣뻣한 손을 움직일 만큼 강력하며, 각 손가락 관절의 복잡하고 독립적인 굽힘을 모방할 수 있을 만큼 똑똑한 장치를 만드는 것이었습니다.

두 명의 고등학생 연구원인 비슈누 이야엔가(Vishnu Iyengar)와 레오 시타라만(Leo Sitaraman)은 감지와 구동을 분리함으로써 이 문제들을 해결하는 프로토타입을 제작했습니다. 그들의 시스템은 건강한 손에 착용하는 장갑과 손상된 손에 착용하는 가벼운 외골격이라는 두 가지 주요 부분으로 구성됩니다. 장갑에는 사용자가 손가락을 움직일 때 손가락 관절의 각도를 측정하는 작은 센서들이 장착되어 있습니다. 손가락에 직접 모터를 부착하여 움직임을 재현하려고 하면 손이 크고 불편해지기 때문에, 연구진은 모든 모터를 팔뚝(전완부)에 배치했습니다. 가는 케이블이 팔뚝의 모터로부터 손목을 거쳐 손가락까지 이어져, 손가락을 올바른 위치로 잡아당깁니다. 이 설계는 손 자체에 무거운 기계장치가 달려 있지 않게 하여, 일상적인 사용 중에 더 자연스러운 느낌과 더 나은 편안함을 제공합니다.

그들 작업의 핵심 혁신은 손가락을 제어하는 방식에 있습니다. 대부분의 기존 장치들은 손가락을 한 번에 통째로 굽히는 하나의 단위로 취급합니다. 하지만 인간의 손가락은 더 복잡합니다. 손가락과 손바닥이 만나는 마디(knuckle)와 독립적으로 굽힐 수 있는 중간 관절이 있습니다. 실제 손을 진정으로 모사하려면 장치가 이 두 관절을 각각 따로 제어해야 합니다. 연구진은 영리한 케이블 시스템을 사용하여 이를 달성했습니다. 각 손가락마다 두 개의 별도 케이블이 팔뚝의 모터에서 손가락으로 연결됩니다. 하나의 케이블을 당김으로써 시스템은 손가락의 마디 부분을 굽힐 수 있습니다. 다른 하나를 당기거나, 한쪽을 당기면서 다른 쪽을 놓음으로써 중간 관절을 독립적으로 굽힐 수도 있습니다. 이를 통해 장치는 책장에서 책을 꺼낼 때 필요한 특정한 움켜쥐기 동작과 같이, 관절이 함께 움직여야만 하는 경우에는 하기 어려운 복잡한 형태를 만들어낼 수 있습니다.

이 시스템을 작동시키기 위해 연구진은 몇 가지 공학적 난제들을 해결해야 했습니다. 장갑은 미세한 움직임을 포착할 수 있을 만큼 정확해야 했습니다. 그들은 손가락을 앞뒤로 움직이는 실제 위치와 센서의 판독값을 비교하여 이를 테스트했습니다. 센서는 손가락의 각도를 평균 1도 남짓한 오차로 추적할 수 있었는데, 이는 매우 정밀한 수준입니다. 그러나 데이터를 매끄럽게 만들고 떨림을 없애기 위해, 연구진은 판독값을 평균화하는 디지털 필터를 적용해야 했습니다. 이 과정에서 건강한 손의 움직임과 그 움직임이 기록되는 시점 사이에 약 312밀리초의 약간의 지연(lag)이 발생했습니다. 이 지연은 인지될 수 있는 수준이지만, 많은 작업에서 실시간으로 시스템이 기능하기에는 충분히 짧은 시간입니다.

외골격 측면에서도 자체적인 어려움이 있었습니다. 연구진은 단순히 케이블을 당기는 것만으로는 뻣뻣하고 마비된 손을 필요한 힘으로 움직이기에 충분하지 않다는 것을 발견했습니다. 초기 설계 버전에서는 손가락을 다시 펼 수 있도록 돕기 위해 고무줄을 사용했으나, 이 고무줄들이 모터와 맞서 싸우면서 에너지를 낭비하고 움직임의 강도를 감소시켰습니다. 결국 그들은 고무줄 대신 반대 방향으로 잡아당기는 두 번째 케이블 세트를 도입했습니다. 이 변화는 장치가 낼 수 있는 힘을 3배 이상 증가시켜, 손가락당 약 1.2뉴턴의 최대 힘으로 저항을 밀어낼 수 있게 했습니다. 이러한 개선에도 불구하고, 장치는 명령된 움직임과 완벽하게 일치하지는 않았습니다. 연구진이 손가락을 90도로 굽히라고 명령했을 때, 장치는 종종 약 50도에서 59도 정도까지만 도달했습니다. 이러한 제한은 장치의 물리적 구조와 케이블의 미세한 늘어남 때문에 발생했으며, 이로 인해 전체 가동 범위를 달성하지 못했습니다.

연구진은 장갑을 한 손에, 외골격을 다른 손에 착용하여 완전한 하나의 단위로서 시스템을 테스트했습니다. 그들은 장치가 편안하게 펴진 손부터 꽉 쥔 주먹까지 다양한 손 모양을 성공적으로 미러링할 수 있음을 발견했습니다. 손상된 손의 움직임은 일반적으로 건강한 손을 따라갔지만, 일관되게 1초 미만의 시간 차를 두고 뒤처졌습니다. 두 손의 각도가 얼마나 잘 일치하는지 측정했을 때, 일부 관절에서는 상관관계가 강했지만, 특히 약지의 중간 관절에서는 상관관계가 약했습니다. 이는 시스템이 작동하기는 하지만, 케이블의 경로 설정과 사용자마다 다른 고유한 해부학적 구조에 맞춘 장치의 적합성 측면에서 여전히 개선의 여지가 있음을 시사합니다.

이 설계의 가장 실용적인 특징 중 하나는 미러링을 일시 중지할 수 있는 간단한 스위치입니다. 병을 여는 것과 같은 많은 일상 활동에서는 한 손이 물체를 단단히 잡고 있는 동안 다른 손이 뚜껑을 돌려야 합니다. 만약 장치가 항상 미러링을 하고 있다면, 손상된 손이 회전 동작을 따라 하려고 할 것이고, 이는 작업을 불가능하게 만들 것입니다. 스위치를 조작함으로써 사용자는 손상된 손을 특정 위치에 고정하고, 그 상태를 유지한 채 건강한 손으로 나머지 작업을 수행할 수 있습니다. 이렇게 양손의 기능을 분리하는 능력은 이 장치가 단순히 치료 클리닉에서뿐만 아니라 실제 환경에서도 유용하게 쓰이기 위해 필수적입니다.

이 프로젝트는 두 손가락의 서로 다른 두 관절을 측정하고 움직이면서도, 무거운 기계장치를 손 자체에 두지 않는 착용 가능한 로봇을 만드는 것이 가능하다는 것을 보여줍니다. 연구진은 손가락 관절의 독립적인 제어가 가능하다는 것과 시스템이 유용한 힘을 생성할 수 있다는 것을 입증했습니다. 그러나 그들은 또한 현재의 프로토타입이 아직 완벽하지 않다는 점도 인정했습니다. 평활화 필터(smoothing filter)로 인한 지연 시간은 이상적인 것보다 길며, 장치는 아직 손가락을 자연스러운 전체 가동 범위까지 움직이지 못합니다. 향다면 버전은 부피를 늘리지 않으면서도 이 지연 시간을 줄이고 움직임의 강도를 높이는 방법을 찾아야 할 것입니다. 현재로서는, 이 연구가 저비용의 편안한 장치가 언젠가 사람들이 잃어버린 손의 미세한 조절 능력을 되찾도록 도울 수 있다는 것을 보여주는 중요한 진전으로서 의미를 갖습니다.