MIT와 브리검여성병원 공동 연구팀이 인체의 신경계에 의해 구동되는 로봇 의족 기술을 개발했다고 MIT 뉴스가 지난 1일(현지 시각) 보도했다.

이 기술은 새로운 유형의 수술 절차와 신경보철인터페이스(neuroprosthetic interface) 기술을 적용, 다리 절단 수술을 받은 로봇 의족 착용자가 보다 자연스럽게 보행할 수 있도록 해준다.

연구팀에 따르면, 최첨단 의족은 다리 절단 수술을 받은 사람들이 자연스러운 보행을 할 수 있도록 도와줄 수 있지만, 착용자가 자신의 다리에 대해 완전하게 신경 제어를 하지 못한다. 미리 정의된 보행 알고리즘을 활용하고, 다리를 움직이는 로봇 센서와 제어기에 의존하기 때문이다.

MIT와 브리검여성병원 연구팀이 시행한 외과적인 절단 수술 절차는 남아 있는 다리 근육의 신경을 다시 연결해 환자가 자신의 의수가 어디에 있는지에 대해 ‘자기 수용적(proprioceptive)' 감각의 피드백을 받을 수 있도록 해준다.

이 수술을 받은 7명의 환자를 대상으로 테스트한 결과 기존의 방식으로 절단 수술을 받은 사람들보다 훨씬 자연스럽게, 그리고 빨리 걸을 수 있으며, 장애물을 피하고 계단을 오를 수 있다는 사실을 발견했다.

이번 연구성과는 전문 학술지인 ‘네이처 메디슨’에 발표됐다.(논문 제목:Continuous neural control of a bionic limb restores biomimetic gait after amputation)

이번 연구 수석 저자인 휴 허(Hugh Herr) MIT 교수는 “이번 연구는 완전한 신경 조절 하에 있는 다리 보철물이 생체모방 보행을 구현할 수 있도록 해주는 최초의 연구”라며, “로봇 제어 알고리즘이 아니라, 인간 신경계가 동작을 제어하면서 자연스러운 보행을 만들어낸다. 이러한 수준의 뇌 제어는 그동안 누구도 보여주지 못했다”고 말했다.

연구팀은 '작용근-길항근 근신경 인터페이스(agonist-antagonist myoneural interface·AMI)' 수술을 통해 생체모방 보행을 구현했다. 사람이 특정 동작을 수행할 때, 가장 많은 힘을 발휘하는 근육인 작용근은 반대 작용을 하는 길항근과 한 쌍을 이뤄 동작을 만들어낸다. AMI로 알려진 이 수술 후에 환자들은 더 적은 고통과 더 적은 근육 위축을 경험했다고 한다.

연구팀에 따르면, 대부분 사지 운동은 수축과 확장을 번갈아가면서 하는 한 쌍의 근육에 의해 조절된다. 하지만 전통적인 무릎 아래 절단 수술은 한 쌍의 근육들이 상호작용하는 것을 중단시킨다. 이는 신경계가 근육의 위치와 얼마나 빨리 수축하는지를 감지하는 것을 어렵게 만든다. 이것은 뇌가 어떻게 사지를 움직일 것인지를 결정하는 데 매우 중요한 감각 정보다.

이런 절단 수술을 받은 사람들은 자신의 다리가 어디에 있는지 정확하게 감지할 수 없기 때문에 의수를 조절하는 데 어려움을 겪는다. 대신, 그들은 의족에 내장된 로봇 제어기에 의존한다. 의족에는 경사와 장애물을 감지하고 조정할 수 있는 센서가 내장돼 있다.

연구팀은 사람들이 완전한 신경계 통제 하에 자연스러운 걸음걸이를 할 수 있도록 돕기 위해 몇AMI 수술 기법을 개발했다. 연구팀은 작용근과 길항근 근육의 자연스런 상호 작용을 중단시키는 대신, 근육의 양쪽 끝을 연결해 남아있는 사지 내에서 여전히 역동적으로 의사소통하도록 했다.

연구팀은 다리 절단 후 사람이 생리학적 수준의 고유 감각과 동작 범위로 ‘환각지(phantom limb,사지가 절단된 후에도 마치 그것이 존재해 있는 것처럼 감각되는 현상)' 전체를 움직일 수 있도록 생리학적 방식으로, 본래의 작용근과 길항근을 연결했다“고 말했다.

연구팀은 "AMI 신경보철 인터페이스 덕분에, 우리는 가능한 한 많은 것을 보존하면서, 신경 신호를 증진시킬 수 있었다. 이것은 사람의 신경 능력을 회복시키고 다양한 보행 속도, 계단, 경사지, 심지어 장애물을 통과하는 전체 보행 과정을 지속적으로, 그리고 직접적으로 제어할 수 있도록 해줬다”고 말했다.