▲ 하미드 차크카르 미국 케이스웨스턴리저브대 의공학과 교수와 김대규 고려대 체육교육과 교수 연구팀은 "감각신경의족(Sensory Neuroprosthesis)"을 개발하여, 절단된 사지에서도 촉감과 움직임의 감각을 느낄 수 있도록 했다.

김대규 고려대 체육교육과 교수와 하미드 차크카르 미국 케이스웨스턴리저브대 의공학과 교수 연구팀이 사지가 절단된 사람도 촉감과 움직임 감각을 느낄수 있는 ‘감각신경의족(Sensory Neuroprosthesis)’을 개발했다고 12일 밝혔다.

이번 연구성과는 로봇 분야 국제 학술지 ‘사이언스 로보틱스(Science Robotics)’ 11일(현지 시각)에 게재됐다. 감각신경의족 기술은 사지가 절단된 사람도 촉감과 움직임의 감각을 느낄 수 있도록 해준다.

연구팀에 따르면 상용화된 의족은 뇌와 직접 연결되어 있지 않아, 사용자가 이를 신체의 일부로 완전히 느끼지 못한다. 감각 피드백이 부족하므로, 하지 절단 환자들은 의족을 완전히 신뢰하지 못한다. 이로 인해 하지 절단 환자들은 건강한 다리에 지나치게 의존하게 되어 이동성이 제한되며, 낙상 위험도 증가한다. 이런 비대칭적인 보행은 하지 절단 환자들이 다양한 환경에서의 보행 적응에 어려움을 겪게 만들며, 이는 활동량 감소로 이어져 건강에 악영향을 줄 수 있다.

이번에 개발한 기술은 하지 절단 환자의 허벅지 내 좌골 및 경골/비골 신경 주위에 3개의 다중 접촉 신경 커프 전극 센서(C-FINE)를 이식하는 것을 기반으로 한다. 의족 발바닥에는 8개의 압력 센서가 내장된 깔창이 장착되어 있다. 이는 블루투스 프로토콜을 통해 신경에 이식된 센서와 연결돼 있다. 의족 발바닥이 지면과 접촉할 때 발생하는 압력은 이 센서를 통해 뇌로 전달되어, 사용자가 의족의 움직임을 인식하고 보행을 조절할 수 있다.

▲ 실제 보행 훈련 모습

▲ 보행 효과 측정

연구팀은 3명의 하지 절단 환자를 대상으로 테스트하였고, 결과적으로 감각신경의족이 보행 대칭, 안정성, 속도 지각, 그리고 보행 중의 운동 적응 능력을 향상시키는 것으로 확인됐다. 의족의 움직임에 대한 지각이 향상되면서, 의족이 지면에 닿는 시간과 추진력이 증가했고, 보행 대칭성도 개선됐다. 가장 중요한 결과는, 감각을 회복한 하지 절단 환자의 운동 적응 능력이 건강한 사람과 유사해졌다는 것이다.

김대규 교수는 이번 연구가 신경 공학 분야의 기초과학 기술이 임상 연구에 성공적으로 적용된 사례라고 강조했다. 김 교수는 “이번 연구 결과는, 생체공학 의족이 뇌에 의해 자연스럽게 인식될 수 있음을 보여준다. 이는 환자의 자신감을 향상시키며, 일상생활에서의 운동능력에도 긍정적인 영향을 미친다. 더불어, 이 연구는 하지 절단 장애인의 감각과 지각 회복과 그것이 운동 제어 및 재활에 미치는 영향을 이해하는 데 큰 도움을 줄 것으로 기대된다”고 했다.

연구팀은 현재 웨어러블 로봇 시스템을 활용하여 보행 장애를 가진 사람들의 삶의 질 개선을 위한 후속 연구를 진행하고 있다고 밝혔다.