우리는 자연스럽게 걷고 뛴다. 하지만 이런 생활 자체가 어려운 이들이 있으니 바로 ‘하지절단 장애인’ 들이다. 하지절단을 들었을 때 우리는 교통사고가 주원인일 것이라고 생각한다. 하지만 하지절단의 주원인은 ‘당뇨병’이다. 미국당뇨협회 보고에 따르면 당뇨환자의 20%가 발 문제로 입원을 하고 비외상성 하지절단의 약 50~70%가 당뇨발이 원인이다. 우리나라에도 약 3만여명의 하지절단 장애인이 존재한다.
이렇게 심한 당뇨발로 하지절단이 진행되면 환자들은 ‘의족’을 착용, 재활에 들어간다. 과거 의족은 기능적인 면보다 미적인 측면이 강했다. 또 최근에 나온 상용의족들 역시 자연스러운 보행이 어렵고 사용자에게 많은 신진대사 에너지를 요구한다. 최근 많이 사용되고 있는 에너지 저장-반환형 의족 역시 적응보행이 어렵고 체형변화가 발생하기 때문에 정형외과질환 발생위험이 높다. 하지만 로봇기술과 인공지능(AI)의 결합으로 환자의 부담을 최소화하는 ‘로봇의족’이 조만간 개발될 전망이다.
■로봇의족, 무게는 적게 출력은 높게
로봇의족은 한 개의 관절만을 갖고 있어 간단해 보인다. 하지만 고도의 기술이 필요하다.
우선 로봇의족은 자연스러운 움직임을 만들어내기 위해 사람 발목무게(1.5~2.5kg)와 바닥을 찰 때 내는 순간적인 최대 토크를 낼 수 있어야 한다.
가령 성인 남성(신장 170cm·70kg)의 하지절단 환자를 보조하기 위해서는 발바닥 쪽 굽힘의 경우 20~25°, 발등 굽힘의 경우 10~15°의 최대 각도가 확보되고 발목의 최대 속도는 5.2rad/s이다. 이때 최대 토크는 140Nm, 최대 파워는 350W가 확보돼야 한다.
대부분 외국제품은 무게 제한 속에서 큰 토크를 만들어내기 위해 모터의 회전력을 직선운동으로 바꿔 증폭, 그 힘을 다시 회전력으로 바꾸는 방법이 이용됐다. 하지만 복잡한 매커니즘 구성으로 인해 크기와 무게를 줄이는 데는 한계가 있었다.
무엇보다 가장 큰 문제는 금액이다. 우리나라 의족은 장애인복지법에 따라 최대 200만원 지원을 받을 수 있지만 1대당 1억원 수준의 로봇의족을 사기에는 턱없이 부족하다.
■스마트의족, 국산화 성공…상용화 절실
다행히 우리나라도 로봇의족 개발에 성공했다. 2018년 대구융합기술연구센터 우현수 의료지원로봇연구실장 연구팀이 인체보행원리를 빼닮은 ‘스마트 로봇의족’ 개발에 성공한 것. 이 의족은 2015년 목함지뢰 도발로 오른쪽 발목을 잃은 김정원 중사에게 전달됐다.
무엇보다 무게가 1kg 정도로 매우 가볍고 의족 높이가 일반 제품보다 44%가량 낮아 다양한 부위에 적용할 수 있다. 또 한 번 충전시 배터리 교환 없이 최대 4시간 보행이 가능하며 스마트폰 애플리케이션과 연동이 가능해 동작모드를 변경할 수 있다.
이밖에도 최근 허벅지 부위가 절단된 환자에게 최적화된 의족 소켓이 국내 최초로 개발된 사례도 있다.
한국기계연구원이 AI 기반으로 소켓의 헐거워진 공간을 실시간으로 감지, 소켓 내부에 공기를 자동으로 채워주는 스마트 맞춤형 의족 소켓 개발에 성공한 것.
의료기계연구실 이강호 박사 연구팀은 혈액순환, 피부조직 상태, 영양 상태 등에 따라 수시로 변하는 절단 부위의 볼륨 변화에 최대 15%까지 대응 가능하고 이에 따라 소켓의 흔들림을 최소화하면서 환부에 가해지는 압박을 분산해 환부의 통증을 완화하는 의족 소켓을 개발하는 데 성공했다.
의족은 절단 환부에 맞는 소켓을 제작해 사용해야 한다. 환부 볼륨과 맞지 않는 소켓울 착용하면 흔들림, 압박, 마찰 등이 발생해 보행 피로감 유발 및 절단부의 피부질환으로 이어질 수 있다.
또 연구진은 의족 소켓 내 압력상태를 사용자가 실시간 모니터링할 수 있도록 스마트폰 애플리케이션과 연동해 의족 착용자의 보행 안정성 분석이 가능하도록 고안했다. 이밖에도 자동 또는 수동모드 설정으로 소켓 내 에어의 주입 및 배출량을 사용자가 직접 조절할 수 있게 개발했다.
이강호 박사는 “스마트 맞춤형 의족 소켓을 통해 착용자의 보행 피로를 줄이고 환부의 통증을 완화시킬 수 있다”며 “무엇보다 본인이 애플리케이션을 모니터링 할 수 있어 스스로 보행개선이 가능하다”고 설명했다.
