걷기와 달리기가 가능한 Wearable robot(Soft Exosuit)의 혁신적인 발전

미국 하버드대 로만 에임 가트너 연구원과 같은 대학교 김진수 연구원, 그리고 중앙대학교 기계공학과 김진수 교수 등의 공동연구로 시작된 Wearable robot인 Exosuit의 향상된 개발 성과가 지난 8월 16일 국제학술지인 사이언스(Science)지에 발표되었습니다.

 

이들이 향상시킨 Exosuit는 그냥 보기에는 매우 평범한 일상복처럼 보입니다. 이것은 우리가 이전에 개발 시연을 보았던 다른 Werable robot과는 상당히 그 물리적인 크기 측면에서나 기능 측면에서도 대단히 큰 발전입니다.(이전에는 정말 로봇 안에 사람이 마치 탑승하고 있는 것 같은 모습을 보여주었죠) 하지만 이번에 개발된 Exosuit는 아주 평범한 반바지의 형태로, 천 재질과 안전한 와이어의 구성으로 가볍고 부드러운 소재를 사용해서 사람의 움직임을 돕도록 설계되었습니다. 각각의 걸음마다 착용자의 다리를 잡아당겨주면서 걷기와 달리기의 움직임에서 큰 도움을 줄 수 있는 최소의 Exosuit일 정도로 관심을 받고 있습니다.

 

사실 최근까지는, 기존에 개발된 어떤 Exosuit에서도 걷기와 달리기 움직임에 필요한 성공적인 동력 조절을 수행한 곳이 없었습니다. Wearqable robot으로 알려진 이러한 Suit의 초기 모델들은 걷기와 달리기에 필요한 생체역학적 작용 때문에 매 테스트마다 비틀거리는 모습을 우리는 익히 보아왔습니다. 이번에 개발 성과를 발표하게 되는 연구진들은 이 Exosuit를 착용한 사용자가 걷는지 뛰는지를 자동으로 감지할 수 있는 아주 부드러운 장치를 개발하였고 각 동작마다 적절한 도움을 줄 수 있도록 성능을 크게 높였습니다.

 

연구진 중 한명인 하버드대의 데이비드 페리는 이 Exosuit를 착용하고 15분 정도면, 너무도 자연스러운 움직임 덕분에 착용한 사실을 잊을 수도 있겠지만, 시스템을 꺼버린다면 갑자기 다리가 무거워지는 것을 느낄 정도로 이 Suit가 얼마나 도움이 되는지 알 수 있을 것이라고 했는데요. 그는 마치 이것의 비유를 지하철역이나 공항에서 직선의 긴 복도를 이동할 때 사용하는 자동보도를 타고 있다가 내릴 때 움직임이 둔해지는 느낌을 받는 것과 유사하다고 전해주었습니다.

 

연구진들은 이 Exosiut의 성능 개선을 위해, 순수하게 다리의 힘만으로 움직일 때와 Exosuit를 착용하고 움직일 때의 차이를 정량화하기 위해서 각각 대조군을 설정하고 트레드밀 위를 걷거나 달리게 했는데요. 이렇게 함으로써, 임상시험자들이 이 같은 움직임의 호흡에서 얼마나 많은 산소를 소비하는지 계산을 했습니다. 흔히 이것은 신진대사율이라고 불립니다. 연구진들은 이 실험에서 Exosiut를 착용했을 때가 착용하지 않았을 때보다 무려 이 신진대사율을 9%나 줄일 수 있다는 사실을 입증해냈습니다. 이것은 쉽게 말해 Exosuit를 착용했을 때, 걸을 때는 몸무게에서 7kg을 덜어내고 걷는 효과를 가지는 것이고, 달릴 때는 몸무게에서 5.7kg을 덜어내고 달리는 효과를 내는 것이죠. 그렇다면 과연 어떤 사람들에게 정말 필요한 역할을 하게 될까요? 아마도 광범위한 재난 지역을 수색하거나 작업을 하는 구조대원이나(최근에 벌어진 아마존 밀림 화재 사건과 같은 대형 재해를 생각해 볼 수 있겠습니다) 엄청나게 먼 거리를 행군해야 하는 군인들, 또는 높은 산을 등산할 때 더 쉽게 도움을 받기 위해 착용할 수도 있겠고, 의료의 범위로 좁힌다면 걷는 움직임에 불편한 신체적 제약을 가진 환자들에게도 꾸준한 의료지원을 제공할 수 있을 것입니다.

 

연구진들은 사이언스지에 게재된 논문에서 그들이 개발한 Exosuit에 대한 외형적인 특징을 자세히 묘사해 두었습니다. 먼저 이 Wearable robot인 Exosuit는 아주 부드러운 소재의 천 소재로 대부분의 형태를 이루고 있기 때문에 전체적인 무게는 겨우 5kg밖에 되지 않습니다. 우리가 헬스장에서 가볍게 걷는 트레드밀 위에서 조금의 무게를 더 주기 위해 양손에 드는 2.5kg짜리 작은 아령을 들고 있는 것과 마찬가지의 무게입니다. 상당히 가벼운 편이네요. 5kg의 무게를 더하는 대신 몸이 더 힘들어지는 것이 아닌, 움직임에 따른 산소소비량을 상당히 줄여주는(앞서 언급하였듯이 신진대사율 9% 감소 효과!) 탁월한 장치가 아닐까 합니다.

 

Exosuit의 하단부에 위치한 상당히 작은 각 전기모터들은 각 다리의 대퇴부를 감싸는 부드러운 천 소재에 연결된 안전한 와이어들에게 힘을 전달하는데요, 허리 쪽에 위치한 배터리를 완충할 경우 약 8km의 거리를 이동할 수 있습니다. 기존의 다른 Exosuit 연구들에서는 허리-엉덩이-발목까지 연결된 일체형의 정말 로봇스러운 Exosuit들이 연구되었습니다. 입자마자 로봇이 된 듯한 아주 불편한 장치들이었는데요. 이번에 개발된 Exosuit는 이전의 연구결과들을 기초로 상당 부분의 기계장치들을 걷어내고 심지어 발목에 걸쳐졌던 상당히 부목과 같은 형태의 지지대로 과감히 걷어낸 후 엉덩이 대퇴부 부위만의 제어 옵션을 통해 크기도 작아지고 그 형태도 더욱 자연스럽게 발전시킬 수 있는 계기를 마련해주었다는 점에서 큰 성과를 보여주었습니다.

 

심지어 연구진은 그들의 Exosuit가 걷기 모드와 달리기 모드의 전환을 수동이 아닌 자동으로 알아서 판별하고 전환할 수 있도록 시스템을 개선했습니다. 그러기 위해서 걷기와 달리기에 따르는 각 힘과 운동 측정 센서를 부착하였고 이러한 센서들을 지속적으로 그 운동형태를 학습하면서 걷기와 달리기 패턴을 감지하는 제어 알고리즘을 지속적으로 향상시켰는데요. 결국, 이 제어 알고리즘은 인간이 걷는 동안 질량의 중심이 어떻게 움직이는지, 각 걸음마다 고관절들이 어떻게 우리 몸에서 다리와 각 움직임들 사이에서 어떤 형태로 작용하는지에 대한 물리적 특성을 효과적으로 반영하도록 구성되었다고 볼 수 있습니다. 심지어 이러한 실험을 위해 평지 형태, 오르막 형태 언덕이나 산악 지형의 형태 등 현실적으로 활용 가능한 다양한 옵션들의 테스트를 진행하는 등 실질적 상용화를 대비하는 큰 도약을 보여주었습니다.

 

사실 이러한 Exosuit들은 미국방연구소의 예산으로 많이 진행되기 때문에 그 대상자는 미군을 기초로 개발이 됩니다. 그래서 현재까지는 이 Exosuit의 착용대상은 남자로 한정되어 있다고 하네요. 많은 후행 연구들와 개발로 많은 사람들에게 현실적으로 도움을 줄 수 있는 장치로 거듭나길 기대합니다.