스마트 ArM(인공 팔): 인체의 한계를 뛰어넘다

생체공학적 보조과학기술을 사용하는, 장애가 있는 선수들을 위한 국제 대회인 사이배슬론 2020을 고려하여, 파리에 있는 지능시스템 및 로봇공학 연구소(ISIR)의 프랑스 연구원으로 이루어진 팀이 “스마트 ArM”(인공 팔)을 개발했습니다. 이것은 상완 절단 환자의 팔꿈치 윗 부분에 설계된 인공 팔입니다. 수년간의 연구 결과, 즉 이러한 의지의 설계는 인공 팔꿈치 제작을 포함하여 진정한 도전이었습니다. 이 기사에서는 이러한 기술적 업적과 인간의 모험을 되돌아봅니다.

코로나19 팬데믹으로 인해 사이배슬론 2020은 2020년 11월 13일부터 14일까지 전 세계에서 새로운 형식으로 각 팀의 홈 베이스에서 개최됩니다. 이들은 이 대회를 위한 인프라를 구축하고 경주를 촬영할 것입니다. 대회는 취리히에서 새로운 플랫폼을 통해 독특한 라이브 프로그램으로 중계될 예정입니다.

상완 절단 환자의 팔꿈치 윗 부분에 설계된 인공 팔

특정 장애에 필요한 수요를 충족시키기 위한 야심찬 프로젝트

팔뚝이나 손 절단보다 흔하지 않은 팔 절단은 상대적으로 오랫동안 연구 분야에서 연구되지 않았습니다. 이를 상완 절단 또는 선천적인 전완 완전 무형성이라고 합니다. 이 장애는 의지를 착용하고자 하는 젊은이들과 주로 관련이 있지만, 현재 사용할 수 있는 적절한 의지 솔루션은 거의 없거나 전혀 없습니다. 이러한 관찰에 직면하여 지능시스템 및 로봇공학 연구소(Institute of Intelligent Systems and Robotics, ISIR)의 연구팀은 2014년 연구 프로젝트를 시작했습니다. AGATHE(Assistance au Geste et Applications thérapeutiques) 팀 내에서 그룹화된 연구원들은 상지 의지에서 유망한 결과를 얻었습니다. ISIR 연구 책임자이자 스마트 ArM 프로젝트 책임자이며, 인체의 최적화에 열정적인 나다나엘 자라세(Nathanael Jarrassé)는 설명합니다. “2016년, 첫 번째 사이배슬론에 관중으로 참가한 후, 저희의 비전과 혁신을 진척시킬 팀을 구성하고 싶었습니다."

인간과 기계의 결합

이제 이들은 시험 대상을 찾아야 했습니다. 시험 대상을 찾는 데 몇 번이나 실패하고서, 사이배슬론의 파트너이자 ISIR의 모터 공급업체인 맥슨이라는 협력업체와 논의한 후 이상적인 후보를 찾을 수 있었습니다. 지원자는 이전에 파리의 레스토랑 매니저로 있었던 크리스토프 위셰(Christophe Huchet)로서, 현재는 중소기업 사업 매니저를 지도하고 있습니다. 오른쪽 팔뚝이 없는 상태로 태어난 그는 또한 장애인 스포츠(handisport)의 수영 부문에서, 그리고 패럴림픽에서 여러 차례 우승한 경력이 있는 인상적인 수영 경력을 가지고 있습니다. “이 프로젝트는 제가 수영 경력에서 잘 알고 있던 경쟁 스포츠 및 그와 관련된 역동성으로 되돌아가도록 해 주었지만 이번에는 다른 사람을 돕고 기술과 사회를 발전시킨다는 강력한 명분으로 봉사하도록 합니다. 보조기를 착용한 사람이 보조기를 착용한 사람을 바라보는 시각을 바꾸고자 하는 이 행사에 참여하여, “사용자-의지” 결합이라는 특별한 측면을 보여주고 이러한 신체와 기술의 결합을 촉진하며 어떤 면에서는 장애를 “아름답게”하는 신체와 기술의 결합을 진척시키는 것도 제게는 중요합니다. “라고 크리스토프 위셰는 설명합니다.

사이배슬론에 참가하기 위해 2018년 스마트 ArM 팀이 결성되었습니다. 이 팀은 시험 대상과 관리자, 그리고 ISIR과 ISM 엑스 마르세이유 대학(Univ Aix-Marseille) 출신의 11명으로 구성된 기술팀 및 의료팀으로 구성되어 있습니다. 이러한 프로젝트는 의지와 신체를 적절하게 연결시키기 위해 신경과학 및 생리학을 포함하여, 메카트로닉스부터 컴퓨터 과학까지 매우 다양한 연구 분야를 한데 모읍니다.

“저희는 ISIR의 기술 혁신 장려를 포함하여 경쟁이라는 치열한 맥락에서 시험해 보자는 여러 목표에 의해 사이배슬론에 참가하게 되었습니다. 또한 로봇공학적 보조과학기술의 실제 가능성과 한계에 대해 의사를 소통하면서, 이러한 특정 장애에 대한 일반 대중의 관심을 끌고 싶었습니다."라고 나다나엘 자라세는 설명합니다. 스마트 ArM은 “인간-기계”의 결합에서 인간이 수행하는 주요 역할을 강조합니다. 우리는 보통 기술 하나만으로 성공한다고 믿는 경향이 있기 때문입니다.

여러 가지 설계상의 어려움

스마트 ArM 팀은 시험을 시작하는 데 몇 가지 어려움에 직면했습니다. 가장 큰 어려움은 크리스토프 위셰의 신체 구조와 호환되는, “외골격”으로 알려진 인공 팔꿈치 관절 개발에 있었습니다. “일반적으로 절단에 의해 짧아진 팔 절단 환자의 잔류 사지와는 달리, 그의 팔은 정상 팔의 길이이므로 고전적인 내골격 팔꿈치 인공 관절을 설치할 공간이 거의 없습니다.”라고 나다나엘 자라세는 설명합니다. 연구자들은 인공 팔꿈치 관절의 축을 최적의 방식으로 배치하기 위해 작동을 측면으로 변위하기로 결정했습니다.

그러나 이는 스마트 ArM 의지가 제기하는 유일한 과제는 아니었습니다. 사이배슬론에 참가하도록 설계되었기 때문에 프로토타입은 실험실 외부에서 광범위하고 강렬한 사용을 견딜 수 있어야 했습니다. 따라서 견고하고 완전 내장된 장치를 설계해야 했습니다.

높은 전동화의 제약

프로토타입의 전동화를 선택하는 것은 매우 중요했으며 몇 가지 매개변수를 고려해야 했습니다. 프로토타입에 사용된 기어 모터는 효율이 낮고 건조 마찰이 높은 팔꿈치 관절용 웜휠 변속기를 사용하므로 매우 강렬한 간헐적 사용에 직면하여 시작하기가 어렵습니다. 또한 항상 달리고 걷는 대상이 프로토타입을 착용해야 하므로 공급 전압의 높은 변동과 상당한 충격 및 진동도 고려해야 했습니다.

SAM 의지의 외골격 팔꿈치 관절을 개발하는 데 6개월 동안 작업해야 했습니다. 그리고 이를 작동시키기 위해, 팀은 맥슨의 모터를 사용하기로 결정했습니다. “사람의 팔꿈치는 150°/s 이상의 속도로 약 15N/m의 토크를 생성합니다. 저희는 작은 조인트와 배터리 작동으로 이러한 특성을 재현하기 위해 초고성능, 소구경 기어드 모터를 찾고 있었습니다. 이것이 맥슨의 DCX-GPX 모터 기어박스 제품군으로 방향을 바꾸었던 이유입니다.”라고 나다나엘 자라세는 설명합니다. ISIR 내에서 맥슨의 모터가 다양한 연구 프로젝트에서 개발된 로봇 프로토타입에 장착되는 것은 드문 일이 아닙니다. 이 스마트 ArM 프로젝트 책임자는 “맥슨 제품의 장점은 예비 설계 단계에서 완벽하게 확인된 특성을 가지고 있으며 장치의 크기를 최적화할 수 있는 매우 광범위한 소구경 액추에이터 및 시판용 모터를 공급하는 것입니다.”라고 덧붙입니다. 소르본(Sorbonne)의 연구팀은 액추에이터를 온라인으로 구성하고 맞춤화할 수 있는 능력을 특히 높이 평가했습니다. 맥슨은 또한 엔지니어의 전문 기술을 활용하여 기술을 지원했습니다.

스마트 ArM 팀은 사이배슬론 2020에서 노하우를 시연함으로써 개발된 혁신이 상용 제품으로 이전할 수 있기를 바랍니다. 신체 움직임을 기반으로, 의지 제어에 대한 혁신적인 접근 방식으로 인해 제조업체가 확신을 가지고 제휴함으로써 많은 사람들이 이 혁신의 혜택을 누릴 수 있을 것이라고 확신합니다. 나다나엘 자라세는 “많은 어려움이 있음에도 불구하고 장애가 있는 사람들을 돕기 위한 기술 개발은 매우 고무적이고 흥미롭습니다.”라고 말합니다. 스마트 ArM 팀은 프로젝트 전반에 걸쳐 장치를 장착하려는 사람들을 위해 유용하고 수용 가능하며 적절한 도구를 개발하는 데 전념했습니다. 맥슨은 큰 야망을 가진 것을 자랑스럽게 생각합니다.

더 상세한 정보는 다음 사이트를 확인하십시오: 스마트 ArM 웹 사이트.