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    신진연구자인터뷰는 기계및 건설분야의 세계적인 과학 학술지에 논문을 게재한 한국인 연구자들의 연구성과와 연구자 정보를
    여러 연구자와 기관 등에 소개하고자 기획되었습니다. 대상은 주로 대학원 석사이상의 최근 5년이내 관련분야의
    대표 학술지나 학술대회에 논문을 투고한 사람입니다. 대상문의(ariass@naver.com)

    • 이형래(hyunglae Lee)
      운동 제어 이론에 기반한 물리적 인간-로봇 상호작용 및 로봇 신경재활
      이형래(hyunglae Lee)(Arizona State University (ASU), 기계항공공학)
      이메일:hyunglae.lee at asu.edu
      1909 0 2


    1. 본인의 연구에 대해서 소개를 부탁 드립니다.

    제 주요 연구 분야는 로보틱스의 한 분야인 물리적 인간-로봇 상호작용 (Physical Human-Robot Interaction)과 신경과학의 한 분야인 운동 제어이론 (Neuro Motor Control)의 접점에 있습니다. 좀 더 세부적으로 말하자면, 인간이 주변의 다양한 환경과 물리적 상호작용을 하는 가운데 우리의 신경 근골격계 (Neuromuscular System)이 어떻게 반응하고 작동하는지에 대해 이해하고, 이를 바탕으로 물리적 인간-로봇 상호작용을 개선하고자 하는 데에 있습니다. 궁극적으로 뇌졸중 (Stroke), 다발성 경화증 (Multiple Sclerosis) 등 신경 질환을 가진 환자들의 운동 기능 회복을 위한 로봇기술을 개발하고 제공함으로써, 전체적인 신경 재활 프로그램의 효용성 및 효율성을 높이고 환자들의 삶의 질의 향상에 기여하는데 연구 목표를 두고 있습니다.

    로봇에 기반을 둔 신경 재활에 대한 다양한 접근 방식이 있지만, 저는 로봇 설계 및 제어에 앞서 건강한 사람 및 환자의 운동 능력에 대해 더욱 정확한 이해와 정량화가 선행되어야 한다고 생각합니다. 현재까지 운동제어에 있어서 중요한 두 가지 요소인 근골격계의 임피던스(Mechanical Impedance) 및 반사기전 (reflex mechanism)을 정량화하는 연구를 주로 수행하고 있습니다. (Fig. 1)  임피던스는 여러 시스템간의 에너지 교환을 설명하는 중요한 개념으로, 물리적 상호작용의 다양한 측면 (안정성 (Stability), 성능 (Performance) 등 )을 정량화하는데 사용될 수 있습니다. 또한, 반사기전은 자발적 응답 (Voluntary Response)'와 함께 운동 제어에 있어서 중요한 요소로서, 외부 자극 (External Stimuli)에 대한 빠른 반응이라고 간단히 말할 수 있습니다. 반사 기전은 잠복기 (Latency)에 따라 여러 기능적 특성이 있는데, 특별히 Long Latency Reflex라 불리는 기전을 중점적으로 연구하고 있습니다. 이는 빠른 반사 작용과 자발적 응답 특성을 동시에 지니는 고유한 현상으로 다양한 태스크 환경에서 상당히 유연하게 작용하는 특성이 있습니다.


    임피던스 및 반사기전의 정밀한 정량화를 위해 사람과 안정적으로 그리고 안전하게 물리적 상호작용이 가능한 다양한 로봇 (Fig. 2)와 시스템 식별 (System Identification) 기법을 결합한 연구 방식을 사용하고 있습니다.




    이 방식은 기존의 의료진에 의해서 수행되었던 주관적인 측정 방식보다 더욱 정확하고, 객관적인 환자 상태 파악을 가능하게 하고, 이는 재활치료의 각 단계/과정에 있어서 효율적인 운동 치료의 선정 및 수행을 위한 정보를 제공해줄 것입니다.

    상지에 대한 로봇 재활 치료가 최근 미국 내 의료 기관들 (American Heart Association 및 VA/Department of Defense)로 부터 추천됐지만, 아직 하지에 대한 로봇 재활 치료는 더 연구가 필요하고 아직 추천단계에 다다르지 못했다고 알려졌습니다. 하지 연구는 사람-로봇-주변 환경의 복잡한 상호작용을 수반하는 특성상 상지 연구보다 복잡도가 높은 경우가 많습니다. 저를 비롯한 많은 사람이 최근 들어 하지 연구를 많이 하고 있는데, 조만간 하지에 대한 로봇 재활 치료 또한 의료 기간으로부터 추천받는 날이 오기를 기대해 봅니다.


    2. 본인의 대표 논문을 알려주세요.

    1. J. Hunt, Pa. Artemiadis, H. Lee, “Optimizing Stiffness of a Novel Parallel-Actuated Robotic Shoulder Exoskeleton for a Desired Task or Workspace”, IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA 2018), May 2018, Australia

    Abstract - The purpose of this work is to optimize the stiffness of a novel parallel-actuated robotic exoskeleton designed to offer a large workspace. This is done in an effort to help provide a solution to the issue wearable parallel -actuated robots face regarding a tradeoff between stiffness and workspace. Presented in the form of a shoulder exoskeleton, the device demonstrates a new parallel architecture that can be used for wearable hip, ankle, and wrist robots as well. Stiffness of the architecture is dependent on the placement of its actuated substructures. Therefore, it is desirable to place these substructures effectively so as to maximize dynamic performance for any application. In this work, an analytical stiffness model of the device is created and validated experimentally. The model is then used, along with a method of bounded nonlinear multi-objective optimization to configure the parallel actuators so as to maximize stiffness for the entire workspace. Furthermore, it is shown how to use the same technique to optimize the device for a particular task, such as lifting in the sagittal plane.

    2. J. Hunt, H. Lee, P. Artemiadis, “A Novel Shoulder Exoskeleton Robot Using Parallel Actuation and a Passive Slip Interface”, ASME Journal of Mechanisms and Robotics, 2017, Vol 9 (1)

    3. V. Nalam and H. Lee, “Design and Validation of a Multi-Axis Robotic Platform for the Characterization of Ankle Neuromechanics”, IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA 2017), May 2017, Singapore

    4. H. Hanzlick, H. Murphy, and H. Lee, “Stability of the Human Ankle in Relation to Environmental Mechanics”, IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA 2017), May 2017, Singapore

    5. H. Lee, N. Hogan, “Investigation of human ankle mechanical impedance during locomotion using a wearable ankle robot”, IEEE Trans. on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, 2015, Vol 23 (4), 755-764


    3. 연구 중에 어떤 극복해야 할 문제가 있었고 이를 어떻게 해결하셨는지?

    많은 연구가 그러하듯 제 연구 또한 언제나 극복해야 할 문제들의 연속입니다. 앞서 말씀드렸듯이 제 연구를 수행하는데 두 연구 분야 (운동 제어이론과 로보틱스)가 주로 사용되는데, 두 연구 분야의 접근 방식이 상당히 다른 측면들이 있어서 이를 어떻게 잘 결합할지에 대한 고심을 해야 할 때가 많습니다. 박사 기간동안 로보틱스를 공부하였고, 박사후과정 기간 동안 운동제어에 대해 공부를 했던 경험이 각 분야의 전문가들과 토론을 하는 데 큰 도움이 되는 것 같습니다. 또한, 신경 손상 환자들과 함께하는 연구에서는 건강한 사람들에게서는 예측하지 못했던 변수들이 생기곤 하는데, 함께 연구하는 의료진 및 동료 연구자들의 조언이 큰 도움이 됩니다. 결국 여러 분야의 전문가들과 함께 고심하고 토론하고 해결책을 찾아 나가는 것이 문제 해결에 가장 큰 도움이 되지 않나 싶습니다.


    4. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

    ASU에서의 지난 2년간의 연구들은 앞으로의 연구를 위한 기반(Framework)을 마련하는 데 중점을 두었습니다. 향후 연구는 이를 기반으로 다음과 같은 연구를 중점적으로 수행할 예정입니다. 첫째, 하지에 대한 연구는 기존의 많은 연구가 상당히 제약된 실험 환경에서 진행되었는데, 최근 개발하고 있는 몇몇 로봇 장비를 사용해서 다양하고 자연스러운 상황에서 (예를 들어 보행 및 자세 균형 제어) 임피던스 및 반사기전이 어떻게 작동하는지에 대해 연구하고자 합니다. 둘째, 기존의 연구가 하지에 집중되었다면, 이를 상지 쪽으로 확장하는 연구를 수행하고자 합니다. 현재는 사람의 관절 중 가장 복잡한 어깨 관절의 특성을 파악할 수 있는 로봇을 개발하고 이를 사용하여 근골격계의 다자유도 특성을 파악하는 연구를 수행하고자 합니다. 마지막으로, 뇌졸중 환자 다발성 경화증 환자에 대한 특성 파악 및 정량화를 수행하고 이를 기반으로 로봇 기반 재활 치료 방법을 제안하고 효용성 및 효율성을 테스트하는 연구를 진행하고자 합니다.


    5. 본인이 영향을 받은 다른 연구자나 논문이 있다면?

    많은 연구자들이 그렇듯이 저 또한 다양한 측면 (이론, 연구 접근 방식, 등등) 제 지도 교수님들의 (Prof. Neville Hogan at MIT, Prof. Eric Perreault at Northwestern University) 영향을 가장 많이 받은 것 같습니다. 오래된 논문들이지만 여전히 제 연구에 많은 영향을 주고 있는 논문들은 다음과 같습니다.

    - Flash and Hogan (1985), The coordination of arm movements: an experimentally confirmed mathematical model, Journal of Neuroscience 5(7), 1688-1703

    - Krebs, Hogan, Aisen, and Volpe, Robot-aided neurorehabilitation, IEEE Trans. on Rehabilitation Engineering 6 (1), 75-87

    - Shemmel and Perreault (2009), The differential role of motor cortex in stretch reflex modulation induced by changes in environmental mechanics and verbal instruction, Journal of Neuroscience 29(42), 13255-13263 

    - Krutky, Ravichandran, Trumbower, and Perreault (2009), Interactions between limb and environmental mechanics influence stretch reflex sensitivity in the human arm, Journal of neurophysiology 103 (1), 429-440

    이 외에도 Imperial College London (UK)의 Prof. Etienne Burdet, ATR Brain Information Communication Research Lab (Japan)의 Prof. Mitsuo Kawato 및 Queen’s University (Canada)의 Prof. Stephen Scott도 제 연구에 큰 영향을 주신 분들입니다.

    - Burdet, Osu, Franklin, Milner, and Kawato, The central nervous system stabilizes unstable dynamics by learning optimal impedance, Nature 414 (6862), 446-449

    - Scott, Optimal feedback control and the neural basis of volitional motor control, Nature Reviews Neuroscience 5 (7), 532-546


    6. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소, 지도교수에 대해 소개 부탁 드립니다.

    먼저 박사 연구를 진행했던 곳은 The Eric P. and Evelyn E. Newman Laboratory for Biomechanics and Human Rehabilitation (http://newmanlab.mit.edu/) 입니다. 박사 지도 교수님은 제어, 로보틱스, 로봇 기반 신경 재활, 운동 제어 이론 등 여러 방면에서 많은 이바지를 하신 Prof. Neville Hogan으로 MIT 기계공학과 (Mechanical Engineering) 및 뇌인지과학과 (Brain and Cognitive Sciences) 소속으로 계십니다. 많은 분에게 임피던스 제어 (Impedance Control)로 잘 알려지신 분이기도 합니다. 한국이었으면 정년퇴직할 나이를 훌쩍 넘기셨음에도 불구하고 아직도 새로운 연구 주제를 이야기할 때면 소년처럼 흥분하시는 모습을 곧잘 보여주시는 연구에 대한 호기심과 열정이 넘치시는 분입니다. (Fig. 3A).




    포스닥 연구는 Shirley Ryan Ability Lab (기존에 Rehabilitation Institute of Chicago (RIC)였는데 최근에 이름을 변경하였습니다; https://www.sralab.org) 의 Sensory Motor Performance Program (SMPP) 에서 수행하였습니다. (Fig. 3 B & C). 지도 교수님은 Shirley Ryan Ability Lab과 Northwestern University Biomedical Engineering 소속으로 계시는 Prof. Eric Perreault 으로 Neuromuscular Control and Plasticity Lab을 운영하시며 (https://www.sralab.org/research/labs/NMCL) 운동 제어 및 학습, 뇌졸중 환자 재활에 대한 연구를 중점적으로 수행하고 있습니다.

    2015년 가을부터는 애리조나주 피닉스에 위치한 ASU (Fig. 4)로 자리를 옮겨서 Neuromuscular Control and Human Robotics Lab (https://faculty.engineering.asu.edu/hlee)를 운영하며 연구를 진행하고 있습니다. (Fig. 5). ASU는 최근 2~3년간 로보틱스 및 제어 분야의 교수를 10명가량 채용할 정도로 해당 분야에 많은 관심을 가지고 투자하고 있습니다. 상당수의 교수가 저와 같은 주니어 연구자이기 때문에 자유로운 분위기에서 협업하고 이를 통해 시너지를 창출하려고 노력하고 있습니다. 최근 미국 내에서 혁신 대학으로 좋은 평가를 받고 있습니다. (https://www.usnews.com/best-colleges/rankings/national-universities/innovative)



    7. 이 분야로 진학하려는 후배 (또는 유학 준비생)에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

    많은 로보틱스 세부 분야가 그렇지만 본인이 연구하고 있는 재활 로봇 분야 또한 융합학문으로서 여러 학문의 지식이 필요합니다. 본인이 현재 전공하는 분야에 대한 깊이를 더해가면서, 앞으로 재활 로봇 분야를 전공하기 위해서는 어떠한 세부 분야들을 앞으로 공부를 해야 할 지 지속해서 관심을 가지고 최근 뉴스, 논문들을 꾸준히 접하는 것이 중요하다고 생각합니다. 이렇게 하다 보면 어느새 자기가 현재 중점적으로 전공하고 있는 분야를 큰 줄기로 가지고, 관심 분야에 따라 작은 가지를 하나씩 하나씩 키워나가는 모습을 발견할 수 있을 것입니다. 또한, 학부생이라면 해당 분야에 필요한 기초체력 (동역학, 기구학, 신호 및 시스템, 확률 및 통계, 프로그래밍 등의 공학 필수 과목)을 탄탄히 쌓아 놓기를 강력히 추천합니다. 향후 연구에 큰 도움이 될 것입니다.

     

    재활 로봇 분야는 미국뿐만 아니라 유럽의 여러 국가 (스위스, 네덜란드, 독일, 이탈리아 등) 및 아시아 (일본, 싱가포르 등)에서도 활발히 연구를 진행하고 있습니다. 본인이 유학을 통해 얻고자 하는 것, 추구하는 가치에 따라 자신에게 가장 잘 맞는 연구기관 및 지역이 분명 있을 것입니다. 한국 선배분들이 (아직 현지에서 연구하시거나 한국에 귀국하신 분들) 세계 곳곳의 연구 기관에서 해당 분야 연구를 수행했기 때문에 이 분야로 유학하시려는 후배분들께 기쁜 마음으로 조언을 해줄 수 있을 거로 생각합니다. 충분한 사전 조사 후 자기 생각을 잘 정리해서 여러 선배분과 상의하고 의견을 들어보면서 자신의 유학 목표를 더 다듬어 나갈 수 있으면 좋겠습니다.

    유학을 통해 얻을 수 있는 것도 많지만, 분명 유학이라는 선택을 함에 따라 포기해야 할 수밖에 없는 것들이 있을 것입니다. 연구에 대한 목표뿐만 아니라 자신 (혹은 가족)의 삶의 목표 또한 유학 여부 결정 및 유학 시기 결정하는데 아주 중요하다고 생각합니다. 장기적으로 생각하시고 좋은 결정을 내리시길 바랍니다.

     

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    전체댓글 2

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    |2018.01.29
    장애를 대신하기 위한 보조 도구가 아닌, 팔다리가 있으나 치매등 여러가지 신경의 문제로 활동에 문제가 있는 분들의 재활을 돕기 위한 연구로 한정해서 보면 되는건가요?
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    |2018.01.29
    재활로봇에 대한 관심을 그리 크게 두지 않았지만, 약 2년 전 어머니께서 뇌졸중으로 고생하신 뒤로 관심이 많이 생기게 되었습니다. 신경계 치료에 로봇이 활용될 수 있다는 점에 감사드리며, 잘 읽고 갑니다.
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