베트남 의사, 장애인을 위한 생체공학 다리 개발

트란 민 박사(28세) 연구팀이 개발한 생체의학 다리는 무게가 3kg에 불과해 절단 환자가 평소처럼 편안하게 걸을 수 있도록 도와줍니다.

유타 바이오닉 레그(Utah Bionic Leg)는 2017년 미국 유타대학교 HGN 연구소의 민 박사와 동료들에 의해 제작되기 시작했습니다. 이 다리는 시중에 판매되는 다른 의족의 절반에 해당하는 3kg의 무게로 설계되었습니다. 다리 길이는 사용자의 키와 절단된 다리의 길이에 따라 달라질 수 있습니다. 이 장치는 체중이 125kg 미만인 모든 사용자의 움직임을 효과적으로 지원하도록 설계되었습니다.

HGN 연구실의 루카스 그라버트 박사는 연구팀이 인간 다리의 메커니즘을 연구한 결과, 빠르고 효율적인 움직임은 수동적인 운동량 덕분이라는 것을 발견했다고 밝혔습니다. 수동적인 운동량은 움직이는 동안 관성과 중력이 사지와 상호작용할 때 발생합니다. 연구팀이 이 메커니즘을 바탕으로 생체공학 다리에 전달 시스템을 설계하여 움직일 때 다리의 형태를 수동적으로 조절하는 데 도움을 줍니다.

이 제품은 무릎 관절과 발목 및 발 관절의 두 가지 주요 부분으로 구성됩니다. 각 관절에는 전기 모터, 센서, 마이크로프로세서, 배터리 시스템, 회로, 그리고 인공지능(AI)이 장착되어 있습니다. 이러한 부분들은 함께 작동하여 걷기, 서기, 앉기, 경사로 및 계단 이동 등 다리의 모든 주요 운동 기능을 수행합니다.

다리는 3부분으로 구성된 특수 스마트 구동 시스템으로 설계되었습니다. 무릎 관절은 작동 용량을 최적화하고 배터리를 절약하는 기능을 합니다. 발목/발 관절은 사람 발의 힘줄 시스템을 기반으로 개발된 구동 시스템을 갖추고 있습니다. 마지막으로, 발목/발 관절은 스프링 시스템으로 발가락 관절과 연결되어 다양한 노면과 기상 조건에서 환자가 자연스럽게 움직이고 균형을 유지할 수 있도록 도와줍니다.

사용자가 움직이면 생체 다리에 장착된 센서와 시스템이 AI 프로세서에 활동 상태와 움직임 수준에 대한 정보를 전송합니다. 시스템은 사용자의 의도를 판단하여 적절한 수준의 지지를 제공합니다. 또한, 장시간 저전력 모드를 지원하여 사용자가 근력 저하 없이 움직임을 유지할 수 있도록 합니다.

*Tran Minh 박사가 실험실에서 생체공학 다리를 조립하고 있다. 사진: NVCC*

민 박사는 모든 보철 제품은 병원에 설치해야 의사와 전문가가 환자의 키와 몸무게에 맞게 보철 제품을 조정하고 안전한 움직임을 위한 지침을 제공할 수 있다고 말했습니다.

연구팀에 따르면, 현재 시중에 나와 있는 의족은 충격 흡수 장치로 설계되어 기계적으로 수동적입니다. 즉, 건강한 사람이 가진 모터와 유연한 움직임이 없습니다. 이러한 제품은 환자의 신체 조건이 좋아야 하며, 익숙해지는 데 오랜 시간이 걸립니다.

유타 바이오닉 의족은 기존 의족의 한계를 극복합니다. HGN 연구소 엔지니어들은 기계적 세부 사항과 전기 회로를 설계한 후, 요구 사항에 따라 가공했습니다. 이러한 세부 사항은 연구소로 보내져 조립, 소프트웨어 설치, 그리고 기능 최적화를 위한 미세 조정 과정을 거칩니다. 민 박사는 "유타 바이오닉 의족은 파워 어시스트 시스템 덕분에 사용자가 더 빨리 익숙해질 수 있습니다."라고 말했습니다.

연구팀은 2020년부터 20명 이상의 환자에게 이 장치를 테스트해 왔으며, 사용자들의 반응이 긍정적이었다고 밝혔습니다. 많은 환자들이 기존 의족으로는 할 수 없었던 계단 오르내리기나 도움 없이 앉기 등 필수적인 동작을 수행할 수 있게 되었습니다.

민 박사는 "이 연구팀이 개발한 제품은 두 팔다리가 절단된 사람이 편안하게 걸을 수 있도록 돕는 세계 최초의 생체공학 다리입니다."라고 말했습니다. 이 연구의 시험 결과는 Science, Scientific Report, IEEE Transactions 등 권위 있는 과학 저널에 게재되었습니다.

유타 대학교 강사인 토마소 렌지 교수는 과학자들이 1970년대부터 의족 기술을 연구해 왔지만 아직 목표를 달성하지 못했다고 말했습니다. 현재 마이크로프로세서 배터리와 전기 모터가 더 빠르고, 더 작고, 더 가벼워지면서 메카트로닉스 기술이 발전했습니다. 수동 역학에 대한 기술 개발과 발견을 활용하여, 유타 바이오 의족 제품은 "소형 사이즈로 절단된 다리 환자들이 독립적으로 움직이고 삶의 목표를 자유롭게 추구할 수 있도록 도울 것"이라고 토마소 렌지 교수는 평가했습니다.

민 박사는 연구팀이 유타 의족을 사용자가 집에서 장시간 사용할 때의 실현 가능성을 지속적으로 시험하고 있다고 밝혔습니다. 현재 HGN 랩은 독일에 본사를 둔 세계 최대 의족 제조업체인 오토복(Otto Bock)과 협력하여 유타 생체의학 의족을 최단 시간 내에 양산하여 기존 의족 모델과 동일한 가격으로 사용자에게 제공할 수 있는 의료 제품으로 개발하고 있습니다.

쩐 민 박사는 하노이 에서 태어나고 자랐습니다. 2013년 하노이 -암스테르담 영재 고등학교를 졸업했습니다. 그는 미국 유타 대학교에서 기계공학 학사 학위를 취득하기 위해 유학을 갔고, 2023년 5월 박사 학위를 받았습니다. 2015년, 민 박사는 유연하고 고성능 사지 관절을 주요 연구 분야로 삼아 로봇 설계를 시작했습니다. 현재 그는 미국의 로봇 제조 전문 기업인 애질리티 로보틱스(Agility Robotics)에서 설계 엔지니어로 근무하고 있습니다.

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