DGIST 로봇및기계전자공학과 이상훈 교수팀은 생물학적 인터페이스와 말초신경 인터페이스를 결합한 새로운 형태의 생체 인터페이싱 기술인 하이브리드 바이오닉 신경인터페이스를 개발했습니다. 연구팀은 해당 기술이 향후 절단환자의 신경보철을 통한 재활 및 삶의 질 향상에 크게 기여 할 것으로 기대를 모으고 있습니다.
최근 당뇨와 같은 성인병이 증가하면서 사고에 의한 사지 절단뿐만 아니라 당뇨로 인한 사지 절단 환자의 수가 급증하고 있는데요. 사지 절단이라는 영구적 장애는 물리적인 장애와 더불어 신체 상실에 따른 심리적 장애가 동반될 수 있다는 문제가 존재합니다. 이를 해결하기 위해 잃어버린 팔과 다리를 로봇으로 대체하는 바이오닉 상하지 기술이 개발되고 있습니다. 인체의 상하지 기능이 완벽하게 구현되려면 사용자와 로봇 팔, 다리가 양방향 커뮤니케이션을 통한 일체화를 이뤄야 하는데, 이를 위해서는 안정적이면서도 고성능의 생체 인터페이싱 핵심기술이 우선적으로 개발이 필요합니다.
이에 DGIST 이상훈 교수팀은 물리적 수술을 통해 형성하는 생물학적 인터페이스인 재생적 말초신경 인터페이스 (Regenerative Peripheral Nerve Interface, 이하 ‘RPNI’)와 기존의 공학적 말초신경인터페이스 (Peripheral nerve interface, 이하 ‘PNI’)를 결합한 하이브리드 생체 신경 인터페이스를 개발했습니다. 연구팀이 개발한 인터페이스는 버클 스트랩을 모방하고 형상기억폴리머(SMP)를 사용하여 절단된 신경에 쉽고 빠른 이식을 가능하며, RPNI 형성 후 근육과 신경에 동시 접촉을 가능하게 합니다.
연구팀은 연구성과 검증을 위해 토끼 체내에서 하이브리드 생체 신경 인터페이스를 형성한 후 양방향 신경 자극 및 기록을 위한 소자의 기능성 평가를 진행했습니다. 그 결과 장기간(20주) 삽입을 통한 고품질의 신경 및 근육 기록 획득에 성공했으며, 최대 29주까지 장기간 삽입하여 활용이 가능함을 검증했습니다.
나아가 토끼의 실시간 신경신호와 근육 신호를 이용해 로봇다리의 발바닥쪽굽힘 운동(plantar flexion)을 시뮬레이션하여 그 정확도를 향상시켜 보다 정밀한 바이오닉 상하지 제어가 가능함을 확인했습니다.
DGIST 이상훈 교수는 “이번 연구결과는 이미 임상에서 검증되어 의료현장에서 시행되고 있는 생체학적 인터페이스(RPNI) 기술과 말초신경과의 완벽한 양방향 커뮤니케이션을 추구하는 말초신경인터페이스(PNI) 기술의 결합 및 응용 가능성을 보여준 매우 의미있는 결과다”며, “향후 말초신경을 통한 실제 팔다리에 가까운 바이오닉 사지 구현 가능성을 보여줄 것으로 기대한다”고 밝혔습니다.
한편, 이번 연구는 범부처전주기의료기기개발사업단의 ‘상하지 로봇의 직관적 컨트롤 (Intuitive control)을 위한 생체신호 인식’ 과제의 지원을 통해 서울아산병원 성형외과팀과 공동 연구를 수행했습니다. 연구결과는 재료과학 및 융합연구 분야의 학술지인 ‘Advanced Science’에 10월 게재됐습니다.
논문명: Hybrid Bionic Nerve Interface for Application in Bionic Limbs
#용어설명
[1] 버클 스트랩 : 신발끈처럼 신체에 입히는 물체를 고정하는 끈 또는 지지대
[2] 형상기억폴리머(SMP) : 특정 조건에서 어떤 물체를 일정한 모양을 가지도록 만들어 놓으면, 그 이후 외부적 충격에 의해 모양이 달라졌다 하더라도 그 물체를 처음과 동일한 조건(온도, 빛, pH, 습도 등)으로 만들어 주면 다시 원래의 모양으로 되돌아가는 성질을 가지는 물질
