몸이 불편한 환자의 치료를 돕는 재활 로봇은 수술용 로봇 다음으로 의료분야에서 가장 많이 활용되는 로봇 기술입니다. 재활 로봇 시장은 지금까지 미국과 유럽제품이 주를 이뤘는데 최근 국내 연구진들이 첨단 재활 로봇을 개발하면서 세계적으로 주목받고 있습니다.

오늘 인터뷰에서 만나 보실 박형순 교수(KAIST 기계공학부)는 뇌 신경 재활 공학 및 재활 로봇을 연구하시며, 신경 질환의 치료를 위한 로봇 개발 및 적용 분야의 전문가이십니다. 최근 사람의 피부 구조를 본떠 미끄럼을 방지할 수 있는 로봇 손용 인공 피부를 개발했다고 하는데요. 재활 로봇의 도구 및 치료, 보조 및 평가를 위한 로봇 장치 기술에 대해 중점적으로 이야기해보도록 하겠습니다.


1. 지금 교수님께서 하고 계시는 주요 연구에 대한 간단한 소개 부탁드립니다.

연구실에서는 기계공학과의 로봇 전공자로서 현대 재활의학에 필요한 공학적인 방법들을 개발하고 그 효능을 검증하는 연구를 하고 있습니다. 현재는 뇌졸중 환자들의 편마비 증상을 개선할 수 있는 다양한 방법들로서 장갑 형태의 다자유도 손 보조 글러브, 사용자의 의도를 인식하는 뇌-기계 인터페이스, 로봇을 활용한 실험으로부터 편마비로 인한 장애 증상을 뇌과학의 관점에서 분석하는 신경근 협응 분석, 근수축과 근활성 억제를 동시에 구현할 수 있는 전기자극 방법 등에 집중하고 있고, 그 외 족저근막염 치료 로봇, 자율속도 보행 제어, 뇌성마비 어린이의 보행 교정 장치, 스마트 워치와 인공지능을 이용한 가정용 재활 트레이닝/모니터링 프로그램, 다자유도 의수 로봇 및 의수의 피부 구조체 및 센서 융합, 수부 외과수술 후 가정용 재활 치료를 가능하게 하는 간단한 착용형 손 재활 로봇 등 다양한 원인으로 인해 몸이 불편한 사람들의 회복을 돕는 연구를 하고 있습니다.





연구를 수행하기 위해서는 기본적인 기계공학의 지식 외에도, 생체역학, 로봇공학, 인공지능, 생체신호 (뇌파, 근전도 등) 처리 및 분석 등 다방면에 대한 학문적인 지식과 실무 경험이 필요하지만, 저희연구실에서는 무엇보다도 몸이 불편한 분들에게 직접 도움을 주는 기술을 개발해보고자 하는 열정을 중요시하고 있습니다. 모든 학생이 열정과 끈기를 가지고 장애인들에게 더욱 더 나은 삶을 구현해줄 수 있는 기술을 개발하고자 연구에 매진하고 있습니다.


2. 로봇 팔은 대부분 기계장치입니다. 인간의 손보다 더 정밀한 작업을 하는 기계장치를 만들기도 하는데요. 그런 로봇 손에 인공피부 개발은 매우 중요한 연구일 것 같습니다. 교수님께서 최근 개발하신 로봇 핸드(gripper)위한 인공피부에 대해서 자세한 설명 부탁드립니다.

일반적으로 로봇 손은 금속이나 딱딱한 플라스틱의 재질로 만들어지게 되어 물체와의 접촉이 발생하는 잡기 작업 시 불편함이 있습니다. 사람의 손처럼 부드러운 소재의 피부를 입혔을 때 잡기 작업이 더 수월해질 것은 누구나 예상할 수 있으며, 따라서 기존에는 고무장갑과 유사한 실리콘 단층 소재를 로봇 손에 씌워서 활용해 왔습니다.

그러나 아무도 사람 손의 3층 피부구조가 단층 실리콘 피부보다 잡기 성능에 있어서 어떠한 장점이 있는지 관심을 두지 않았습니다. 영화 등에서 사용되는 사람 피부와 겉보기에 완전히 같은 실리콘 피부도 있기 때문에 외형적 모사 기술은 이미 완성도가 높은 단계이고, 아마도 많은 연구자가 사람 손 피부구조와 말랑말랑한 정도가 같은 단층 실리콘 피부를 만들어 주면 유사한 성능을 갖게 될 것이라 예상했을 것입니다.

해부학적으로 사람 손바닥 피부는 균일한 단층이 아닌 세 개의 층으로 구성되어 있습니다. 가장 바깥쪽의 겉 피부층 아래에 말랑말랑한 피하 지방층이 있고, 그 아래에는 단단한 근육층이 존재합니다.

저희는 이러한 세 개의 층으로 이루어진 피부를 만들었을 때 같은 두께와 말랑말랑한 정도를 갖는 단층 피부보다 잡기 동작에 훨씬 유리하다는 것을 발견하였고 이를 이론적, 실험적으로 검증하였습니다. 말랑말랑한 정도가 사람 손의 겉 피부층, 근육층과 같은 실리콘 소재를 가공하고, 중간의 피하지방층은 라텍스 소재를 활용하여 사람의 손바닥 피부의 물리적 특성을 모사한 3층 구조의 피부를 만들어서 로봇손에 붙이면, 그 로봇은 물건을 더 잘 잡고 외란에도 물건을 떨어뜨리지 않고 잘 잡을 수 있다는 것을 검증했습니다.


3. 신경 재활 공학 및 재활 로봇을 연구하시는데요. 인간과 상호작용 할 수 있는 로봇을 어떻게 설계하시며, 재활 로봇의 기술적 한계가 있는지 궁금합니다.

재활 공학은 여러 가지 이유로 신체가 정상적으로 움직여지지 않을 때, 반복 훈련을 통해 정상 기능을 회복할 수 있도록 돕는 공학적인 도구들을 제공합니다. 따라서 재활 로봇의 대부분은 인간의 신체와 접촉하는 로봇이며 로봇의 일부 혹은 전체가 훈련받는 사람의 신체와 접촉할 수밖에 없습니다.

로봇과 사람이 물리적으로 접촉할 경우 안전이 가장 중요하기 때문에, 오동작시에도 사람에게 해를 끼치지 않도록 안전한 설계가 필요하여 로봇이 최대 힘을 내어도 인체에 해가 되지 않는 수준의 힘만 내어주는 구동기를 사용하거나, 사람과 접촉했을 때 단단히 버티지 않고 유연하게 움직이도록 제어하는 방법, 그 외 다양한 안전제어 장치 등이 반드시 구현되어야 합니다. 또한 기존의 단단한 구조물로 이루어지는 외골격 로봇 형태에서 최근에는 옷처럼 부드럽게 착용하지만 보조력을 가해줄 수 있는 소프트 로봇도 많이 개발되고 있습니다.





특히 연구실에서는 인간의 손과 같이 작은 공간에 많은 관절이 있는 경우 효과적으로 재활 보조를 가능하게 하기 위하여 다자유도 소프트 착용형 로봇 장갑을 개발하여 손 마비 환자가 다양한 물체의 잡기 동작과 심지어는 핸드폰을 한 손으로도 조작할 수 있는 것이 가능해지도록 구현 중입니다.





이러한 재활 로봇에서 기술적 한계라기보다는 매우 도전적인 과제는 환자의 동작 의도를 정확하게 파악하여 의도된 동작을 정확히 구현해주는 인간-로봇 인터페이스 기술입니다. 뇌 신경계 손상환자들은 비장애인보다 뇌 신경계의 생체신호가 미약하고 다양한 의도의 구분이 어렵습니다. 그럼에도 정확한 의도를 파악한다면 지속적인 재활 동작 구현 시 뇌신경계의 기능이 회복될 수 있기 때문에, 연구실에서는 장애인의 생체신호로부터 정확한 동작 의도를 읽어내는 기술 개발에도 매진하고 있습니다.


4. 교수님의 연구는 임상실험이 매우 중요할 것 같습니다. 임상평가부터 재활을 위한 인공지능 모니터를 하신다고 들었습니다. 가장 기억에 남는 임상 실험 및 결과가 있을까요?

기계공학과의 연구실로서는 특이하게 뇌졸중후 장애를 겪고 있는 환자분들이 임상 연구를 위해 많이 찾아오십니다. 최근까지 대전 서구보건소를 통해 지역사회에 만성 뇌졸중 장애를 겪는 노인분들이 가정에서 재활 치료 훈련을 받을 수 있도록 개발된 인공지능 스마트 워치 시스템을 평가하는 장기 임상실험을 수행하였습니다.

지역사회 20여 명의 만성 뇌졸중 환자분들이 수개월 동안 임상 연구에 참여하셨는데 보통 환자분들은 장기 임상 연구를 하게 되면 재활치료라는 것이 지루하고 나아지는 정도도 미미하게 되면 중간에 탈락하시는 분들이 많습니다. 그런데, 이번 인공지능 스마트 워치를 이용한 게임을 포함하는 재활시스템은 매우 재미나게 연구에 참여하셨고, 그 결과 실제로 2개월 후 손과 팔을 움직일 수 있는 능력이 눈에 띄게 좋아지신 분들이 많았습니다.





연구참여자께서는 본인의 손의 기능이 좋아진 것이 너무 기쁘신 나머지 집에서 소화기를 잡고 양손으로 동작시키는 모습을 직접 촬영하여 보내주시기도 하였고, 연구 참여 기간이 종료된 이후에도 더 연구를 하고 싶다는 연락을 많이 해오십니다. 이렇게 직접 도움을 준다는 피드백이 올 때 저를 포함한 연구진은 매우 큰 보람을 느끼며 더 연구개발에 힘쓰게 되는 계기가 됩니다.








또한 가정 재활 운동 중 어깨 환자의 재활운동 동작을 감지하는 것으로 이를 위해 IMU 센서 신호와 네트워크 프로그래밍, 데이터베이스, android(java) 프로그래밍 등 다양한 IT 기술을 사용했습니다. 재활병원과 연계하여 환자의 운동데이터를 획득하여 데이터 베이스로 전송하며, 임상 데이터를 기반으로 딥러닝 알고리즘은 다양한 어깨운동을 감지 및 분류하여 임상 정보로 저장하고 있습니다.






5. 제 20 차 IEEE BIBE(20th IEEE International Conference on Bioinformatics and Bioengineering) 국제 컨퍼런스 (2020)에서 발표하신 Wearable spasticity estimation and validation using machine learning 논문에 대한 자세한 설명 부탁드립니다.

뇌신경계 질환에서 나타나는 장애 현상 중 경직 (spasticity)이라는 것이 있는데, 임상에서 경직의 정도를 진단하는 것은 환자의 중증도를 파악하는데 중요함에도 실제 경직도의 측정은 매우 주관적인 느낌으로만 이루어지고 있습니다. 저희는 경직현상에서 나타나는 물리적인 특성을 정량적으로 측정하는 착용형 센서 시스템 및 센서로 측정된 결과를 어떻게 기존 전문 임상가들의 주관적이지만 경험이 담겨있는 판단 결과와 매칭 시키는지에 대한 연구를 다년간 수행해왔습니다.

이는 정확한 임상검진은 최선의 치료로 이어지기 때문에 중요한 연구입니다. 본 발표논문에서는 여러 명의 전문 임상가들이 주관적인 판단을 내리는 기준을 기계학습을 통해 습득하여 센서로 측정된 측정값만으로 전문 임상가들의 판단을 어느 정도까지 예측할 수 있는지 보여줍니다.



6. 연구해오시면서 재활로봇 개발에는 특히 어떠한 사항들이 고려되어야 하며, 미래 재활로봇이 구현하는 핵심 요소 기술은 어떤 것들이 있을까요?

로봇의 안전성, 착용감등이 중요하며 미래 재활로봇에서는 환자의 동작의도를 정확하게 파악하는 기술이 중요합니다. 또한 재활 훈련 후 뇌에 어떠한 변화가 있는지 정확하게 측정하고 재활의 효과를 평가할 수 있는 기술이 중요합니다.



7. 지금까지 연구내용이 국내기업과 국외기업이 어떤 식으로 상용화 되었는지 궁금합니다.

재활로봇은 특이하게도 임상적 효능이 검증되지 않은 상태에서 상품화되어 활용되어 왔습니다. 스위스의 Hocoma는 트레드밀 기반 외골격 보행 로봇을 10여 년 전부터 제품화하여 세계적으로 많은 매출을 올렸습니다. 많은 병원에서 고가의 로봇 시스템을 구매하여 임상연구에 활용하였고, 최근 그 결과들이 정리되고 있는 중이지만 결과가 아주 긍정적이지는 않아 향후 재활로봇 분야에 도전적인 과제들이 남아있음을 암시하고 있습니다.





국내에는 네오 펙트에서 로봇은 아니지만 손재활 센서 글러브와 재활 콘텐츠로 원격의료시대에 활용될 가정용 재활 시스템을 개발해 오고 있습니다.






8. 한국과학기술기획평가원에 따르면 미국은 이미 2017년부터 국가로봇계획(NRI)를 추진, 한 해에만 2억2200만 달러를 투자하고 있으며, 독일도 연간 3억 유로(한화 약 3800억원)를 IT와 의료 융합서비스로봇 분야에 지원 중이다고 합니다. 그와 비교해서 우리나라는 재활 로봇업계 현실은 초라하다고 합니다. 재활로봇산업의 경쟁력 강화를 위해 어떤 협력이 필요한지 궁금합니다.

최근 연구결과에서는 재활로봇이 기존의 물리치료에 비해 뛰어난 결과를 보이지 못하고 있기 때문에 의료기기로서 아직 임상적 효능이 검증되었다고 볼 수 없습니다. 또한 재활 로봇 시장은 다른 산업 분야에 비해 규모가 매우 작아 대기업에서는 관심을 갖지 않을 수밖에 없고, 정부의 복지정책과 맞물려서 지원이 병행되어야 하는 분야입니다.

로봇의 특성상 간단한 재활 도구에 비해 가격이 높아질 수밖에 없는데, 소비자의 입장에서 본다면 손쉽게 구매할 정도의 값싼 로봇이거나, 값비싼 로봇을 반드시 구매해야만 할 이유를 만들어야 경쟁력이 있을 것입니다. 각 나라별로 상황이 다르겠지만 우리나라에서는 의료수가가 고가의 재활로봇에 비해 터무니없이 낮아서 국내 산업 경쟁력을 위해 시장을 활성화시키고자 한다면 관련 종사자들의 의견을 종합하여 재활로봇 사용 시의 의료수가를 재고해야 할 필요가 있습니다.


9. 연구 진행 중 어려운 점이 있었다면 어떤 점이었으며, 어떻게 해결해 오셨는지 알려주세요.

저희 연구진은 항상 지금 하고 있는 연구의 결과가 직접 환자분들에게 도움을 줄 수 있는가? 이 방법이 그분들 입장에서 최선일까를 스스로 묻고 그 해결책을 찾기 위해 노력해왔습니다. 과거에는 저희 전공분야인 로봇 구조 설계 제작, 제어 등에 매진했다면 최근에는 재활로봇을 어떻게 활용하는 것이 좋을지에 대해 고민하기 시작하였고 자연스럽게 재활의 궁극적인 목적인 인간 뇌의 변화(뇌가소성)를 정확히 파악해야 한다는 결론에 도달하여 뇌-기계 인터페이스 분야에 뛰어들게 되었습니다.

사람의 뇌에는 수백억이상의 신경세포들이 있는데 들여다보기 어려운 뇌에서 어떠한 변화가 있는지 측정하는 것은 참으로 어려운 기술일 수밖에 없으며 현재에도 수많은 뇌과학자들이 인간 뇌의 기능을 밝히기 위해 다양한 방법으로 연구에 매진하고 있습니다. 저희도 재활 훈련 시 뇌가소성에 대해 파악하기 위한 방법들을 전문가들과의 협력을 통해 개발 중입니다.


10. 시카고 재활 병원(Rehabilitation Institute of Chicago) 연구원, 노스웨스턴 대학 연구 조교수, 미국 국립 보건원(NIH)의 책임 연구원을 하셨는데요. 교수님께서 생각하시는 재활 로봇의 국내 상황과 국외상황을 구체적으로 비교해 주신다면 어떤 실정인가요?

제가 7년 전 카이스트에 부임할 때부터 이미 국외에서는 재활 로봇의 한계에 대한 이야기가 나오기 시작했음에도 국내에서는 아직도 단순한 논리로 인간의 운동을 보조하는 관점에서의 재활로봇이 필요하다고 주장하는 분들이 많습니다. 물론 단순한 물리적인 보조도구로서의 재활로봇에서는 뇌신경계에 대한 고려까지 할 필요는 없겠지만, 단순한 물리적인 보조도구가 왜 굳이 고가의 로봇이어야 하는가에 대해서는 진지하게 고민해야 할 것입니다.

국외에서는 이제는 재활로봇 자체의 개발보다 로봇을 어떻게 활용해야 로봇이 아닌 다른 방법들에 비해 최선의 결과를 낼 수 있는지에 관심이 많습니다. 실제로 많은 경우 로봇보다 더 간단한 재활방법이 환자 입장에서 최선일 때가 많기 때문에 왜 로봇이어야만 하는가에 대한 고민, 로봇을 제작해서 그 가능성을 보이는 데에서 그치지 않고 환자에게 최종적으로 제품으로써 의미를 부여할 수 있도록 끝까지 마무리하는 수준까지 필요하다고 생각합니다.


11. 이런 연구에 힘입어 앞으로 연구 계획 중인 연구나 또 다른 목표가 있으신지 궁금합니다.

뇌가소성을 극대화하는 로봇을 포함하는 광범위한 공학적 방법에 대해 관심이 많고, 궁극적인 목표는 환자들에게 편리하고 쉽게 접할 수 있는 최선의 재활 방법을 제공하는 것입니다.


12. 앞으로 관련 분야를 공부하는 후학(대학원생들)에게 이 분야의 연구에 대한 비전을 제시해 주신다면.

재활공학의 연구는 기본적으로 실제적인 도움이 되어야 의미가 있습니다. 사람은 누구나 노화를 겪기 때문에 이 연구는 미래의 나를 위한 연구라고 생각하면 동기부여가 확실히 될 것입니다. 연구의 결과물이 결국 내가 사용하게 될 것이라고 생각하면 더 직접적 의미가 있을 것입니다.

인간의 뇌, 근골격계에 대한 이해를 통해 건강을 오래 지속할 수 있는 과학기술을 개발하는 것이므로 인류 전체를 위한 연구라고 할 수 있고, 전 세계적으로 의료기술의 발달로 인간 수명이 늘고, 고령화를 겪는 상황에서 앞으로 이 분야에 대한 수요는 더 증가할 것입니다.