고령자 착용형 보행 보조 시스템 개발
고령자 착용형 보행 보조 시스템 개발
  • 함예솔
  • 승인 2020.07.30 14:00
  • 조회수 479
  • 댓글 0
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국내 연구진이 착용자가 원하는대로 전기로 근육과 관절을 제어해 일상 활동과 근육 발달을 도와주는 기술을 개발했습니다. 걷기, 계단 오르기 등 특정 동작에 국한되지 않고 모든 신체 활동에 적용이 가능해 고령인의 근감소증이나 재활인의 활동, 보행장애 개선에 큰 도움이 될 전망입니다.

사용자 동작의도 감지로 자연스러운 개별 근육제어가 가능한 기능적전기자극(FES)기반 착용형 보행보조 시스템. 출처: ETRI
사용자 동작의도 감지로 자연스러운 개별 근육제어가 가능한 기능적전기자극(FES)기반 착용형 보행보조 시스템. 출처: ETRI

원하는 대로 관절 움직이게 하는 보행보조시스템

 

한국전자통신연구원(ETRI)은 근육에서 발생하는 근활성 신호에 전기자극을 주어 착용자가 원하는 대로 관절을 움직이게 하는 보행보조시스템을 개발했습니다. 원하는 근육 위치에 패치를 붙이고 활동하면 시스템이 사용자의 동작 의도를 파악한 뒤 자연스럽게 동작을 제어해 자유도가 높고 편한 활동이 가능합니다.

ETRI 착용형 보행보조 시스템. 출처: ETRI
ETRI 착용형 보행보조 시스템. 출처: ETRI

우리 몸의 근육은 작은 양의 전류만 줘도 수축하기에 전기를 통해 인위적인 근육의 수축을 유발할 수 있습니다. 저주파 자극기, EMS(Electrical muscle stimulation) 장비, 물리치료기 등이 이러한 원리를 이용한 제품들입니다. 

 

기존의 전기자극을 이용한 근육 강화 및 근수축 방식 제품들은 작동 시간과 패턴 등이 이미 프로그래밍 된 대로 작동합니다. 이로 인해 사용자 의도를 파악하지 못하거나 반복 동작만 적용 가능해 효과적인 활용에 한계가 있었습니다. 

ETRI 연구진이 개발한 보행보조시스템 구성 부품. 출처: ETRI
ETRI 연구진이 개발한 보행보조시스템 구성 부품. 출처: ETRI

연구진은 근육 신호로부터 실시간으로 사용자의 의도를 알아내 사용자별로 적합한 미세한 전기 신호(5~35mA)를 근육에 주어 운동을 보조할 수 있는 기술을 개발했습니다. 사용자가 움직일 때 근육에서 발생하는 신호 자발근활성신호(Volitional EMG, vEMG), 사용자가 스스로 움직일 때 검출되는 근전도 신호에서 관절 방향, 동작 세기를 파악하는 동시에 전기 자극으로 근육의 수축을 제어하는 방식입니다.

 

즉, 신체에서 실시간으로 측정되는 복잡한 근육의 활성 신호로부터 빠르게 동작 의도를 감지한 뒤, 그에 맞는 전기 신호를 보냄으로써 정밀하면서도 자연스러운 보행 등 운동을 보조하는 셈입니다. 

 

2년 간 임상 시험 진행했다

 

연구진은 신체활동 보조 효과를 알아보기 위해 고령인을 대상으로 하지 근육 양쪽 다리의 대퇴직근, 대퇴이두근, 앞정강근, 비복근  8곳에 시스템을 부착한 뒤, 삼육대학교와 위탁연구 위탁과제 책임자: 물리치료학과 이완희 교수를 통해 보행 기능 개선을 위한 탐색 임상 시험을 2년간 진행했습니다. 

고령자를 대상으로 시스템을 착용하고 보행 시 운동량 측정을 진행하는 모습. 출처: ETRI
고령자를 대상으로 시스템을 착용하고 보행 시 운동량 측정을 진행하는 모습. 출처: ETRI

실험 결과, 걷거나 계단을 오를 때 신체기능평가 점수가 향상되었고 근육 사용률이나 활동에 필요한 에너지가 줄었음을 알 수 있었습니다. 아울러, 보행속도 증가, 근육량 증가, 지면 반발력이 뚜렷해지면서 보행이 더욱 정상화되는 개선 효과가 있었습니다. 연구진은 여러 복잡한 근활성 신호 중 자발근 활성 신호를 검출하는 정확도를 98%까지 향상시키는 알고리즘을 개발하면서 본 성과를 낼 수 있었습니다. 

 

활동성 높여 고령자와 장애인들의 재활 돕는다

고령인을 대상으로 ETRI 연구진이 개발한 보행보조시스템을 착용한 뒤, 임상 실험을 진행하는 모습. 출처: ETRI
고령인을 대상으로 ETRI 연구진이 개발한 보행보조시스템을 착용한 뒤, 임상 실험을 진행하는 모습. 출처: ETRI

ETRI가 개발한 보행보조 시스템은 데이터를 취득하고 연산 및 전기 신호를 지시하는 17 x 6cm 크기의 패치와 근육신호를 센싱하는 센서 및 전기자극 모듈, 컨트롤러 등으로 구성돼 있습니다.  현재는 원하는 위치에 부착할 수 있는 전극이 선으로 연결돼 있지만 향후 상용화 시 무선으로도 가능합니다. 무게 또한 배터리를 포함해 약 950g으로 매우 가볍고 패치도 레깅스를 입어 가릴 수 있을 정도로 부피가 크지 않아 착용에 부담이 없습니다.

 

이로써 고령인들의 활동성을 높여 건강한 생활을 돕는 것은 물론, 재활이나 근육 강화를 위한 헬스 및 홈트레이닝 등 다양한 분야에 활용될 것으로 전망됩니다. ETRI 신형철 휴먼증강연구실장은 "늘어나는 고령자와 장애인들의 재활을 도와 사회 활동을 증가시키는 데 본 기술이 기여할 수 있으면 좋겠다"며 "향후 상용화를 위해 개발한 모듈 경량화와 인공근육과 함께 활용할 방안도 연구할 계획"이라고 밝혔습니다.

 

삼육대 물리치료학과 이완희 교수도 "임상 결과에서 계단오르기의 경우, 대사 에너지가 약 8% 감소했고 평지 보행에서는 보행 속도가 약 13% 증가함을 보였다. 상용화 시 근쇠약 고령인의 맞춤형 재활에 큰 도움이 될 것으로 보인다"고 말했습니다.

 

연구진은 운동상황 및 근육 관련 임상 실험 데이터를 모아 완성도를 높여 관련 업체에 기술 이전을 추진해나갈 예정입니다. 또한, 와이어 구동 등 다른 종류의 근력 증강 및 보조 방식 등을 복합적으로 이용하는 연구도 진행하고 있습니다.


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