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ETRI, 전기로 근육 제어하는 착용형 보행보조시스템 개발

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[헬로티]


한국전자통신연구원(이하 ETRI)이 착용자가 원하는대로 전기로 근육과 관절을 제어해 일상 활동과 근육 발달을 도와주는 기술을 개발했다. 걷기, 계단 오르기 등 특정 동작에 국한되지 않고 모든 신체활동에 적용이 가능해 고령인의 근감소증이나 재활인의 활동, 보행장애 개선에 큰 도움이 될 전망이다.


ETRI가 개발한 보행보조시스템은 근육에서 발생하는 근활성 신호에 전기자극을 주는 방식으로, 원하는 근육 위치에 패치를 붙이고 활동하면 시스템이 사용자의 동작 의도를 파악한 뒤, 자연스럽게 동작을 제어해 자유도가 높고 편한 활동이 가능하다.


▲ETRI 연구진이 개발한 보행보조시스템 구성 부품


우리 몸의 근육은 작은 양의 전류만 줘도 수축하기에 전기를 통해 인위적인 근육의 수축을 유발할 수 있다. 저주파 자극기, EMS(Electrical muscle stimulation) 장비, 물리치료기 등이 이러한 원리를 이용한 제품들이다.


기존의 전기자극을 이용한 근육 강화 및 근수축 방식 제품들은 작동 시간과 패턴 등이 이미 프로그래밍 된 대로만 작동한다. 이로 인해 사용자 의도를 파악하지 못하거나 반복 동작만 적용 가능해 효과적인 활용에 한계가 있었다.


연구진이 개발한 기술은 사용자가 움직일 때 근육에서 발생하는 신호(자발근 활성신호, vEMG)에서 관절 방향, 동작 세기를 파악하는 동시에 전기 자극으로 근육의 수축을 제어하는 방식이다.


즉, 신체에서 실시간으로 측정되는 복잡한 근육의 활성 신호로부터 빠르게 동작 의도를 감지한 뒤, 그에 맞는 전기 신호를 보냄으로써 정밀하면서도 자연스러운 보행 등 운동을 보조하는 셈이다.


연구진은 신체활동 보조 효과를 알아보기 위해 고령인을 대상으로 하지 근육 8곳에 시스템을 부착한 뒤, 삼육대학교와 위탁연구를 통해 보행 기능 개선을 위한 탐색 임상 시험을 2년간 진행했다.


실험 결과, 걷거나 계단을 오를 때 신체기능평가 점수가 향상되었고 근육 사용률이나 활동에 필요한 에너지가 줄었음을 알 수 있었다. 아울러, 보행속도 증가, 근육량 증가, 지면 반발력이 뚜렷해지면서 보행이 더욱 정상화되는 개선 효과가 있었다.


▲ETRI 연구진이 개발한 보행보조시스템이 실시간으로 근육 신호를 분석하고 신체활동을 보조하고 있는 모습


연구진은 여러 복잡한 근활성 신호 중 자발근 활성신호를 검출하는 정확도를 98%까지 향상시키는 알고리즘을 개발하면서 본 성과를 낼 수 있었다고 설명했다.


ETRI가 개발한 보행보조 시스템은 데이터를 취득하고 연산 및 전기 신호를 지시하는 17 x 6cm 크기의 패치와 근육신호를 센싱하는 센서 및 전기자극 모듈, 컨트롤러 등으로 구성되어 있다.


현재는 원하는 위치에 부착할 수 있는 전극이 선으로 연결되어 있지만, 향후 상용화 시 무선으로도 가능하다. 무게 또한 배터리를 포함해 약 950g으로 매우 가볍고 패치도 레깅스를 입어 가릴 수 있을 정도로 부피가 크지 않아 착용에 부담이 없다.


연구진은 운동상황 및 근육 관련 임상 실험 데이터를 모아 완성도를 높여 관련 업체에 기술 이전을 추진해나갈 예정이다. 또한, 와이어 구동 등 다른 종류의 근력 증강 및 보조 방식 등을 복합적으로 이용하는 연구도 진행하고 있다.









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