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보도자료

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기계공학과 조규진 교수·체육교육과 안주은 교수·서울대병원 김기원 교수 공동연구팀, 안전한 리프팅 동작을 유도하는 무동력 가변 신축성 엑소슈트 개발

2021.08.26

(개요) 서울대학교 기계공학과(조규진 교수), 서울대학교 체육교육과(안주은 교수), 서울대학교병원 재활의학과(김기원 교수)의 융합연구로 착용자의 리프트 동작을 부상 위험이 낮은 스쿼트 형태로 유도해주는 무동력 가변 신축성 엑소슈트가 개발되었다.

(배경) 무거운 물체를 들어올리는 작업은 허리에 많은 부담을 가하고 부상을 유발할 수 있다. 부상을 예방하기 위해 많은 작업장이나 체육관에서는 등을 숙이는 스툽 동작(stoop lifting) 대신, 무릎을 구부려서 물체를 들어올리는 스쿼트 동작(squat lifting) 이 권장된다.

하지만 인체 구조상 사람들은 스툽 동작을 더 편하게 느끼고 이것이 습관화되어 있는 경우가 많기 때문에 리프트 동작을 교정하기 위해서는 오랜 훈련이 필요하다. 지금까지 자세 교정에 사용되어 온 착용형 장치들은 대부분 허리를 움직이지 못하게 고정하고 압박하는 용도로만 이용되었다. 안전한 리프트를 위해서는 등, 고관절, 무릎 등 각 관절을 적절히 보조하여 필요한 순간에 필요한 관절을 이용하는 바람직한 동작을 유도할 수 있는 착용형 장치가 필요하다.

(결과 및 독창성) 연구팀은 착용자가 취하는 동작에 따라 임피던스(신축성)가 변화하는 엑소 슈트를 세계 최초로 개발했다. 슈트 설계의 핵심은 본 연구팀이 개발한‘신체 구동식 가변 임피던스(Body-powered variable impedance)’기술이다. 해당 기술을 통해 개발된 엑소 슈트는 원단, 스트랩, 고무줄 등의 유연한 재료로 구성된 전신 슈트이며 동력원을 필요로 하지 않는다 (1차 시작품의 무게: 850g). 착용자가 다리를 펴고 등을 구부릴 때 엑소 슈트는 신축성이 낮아지며 착용자의 스툽 동작을 불편하게 한다. 이때, 엑소 슈트는 올바르지 않은 리프트 자세를 억제하는 브레이크처럼 작용한다. 반면, 착용자가 등을 펴고 무릎을 구부릴 때 엑소 슈트는 신축성이 높아져서 착용자가 편하게 스쿼트 동작을 취할 수 있게 한다.

또한 슈트의 신축 과정에서 고무줄에 저장된 에너지는 물건을 들고 일어날 때 보조하는 힘으로 작용하여 착용자가 더 적은 힘으로 스쿼트를 할 수 있도록 도와준다. 사용 목적에 따라 엑소 슈트의 고무줄을 바꿔주면 슈트가 착용자의 리프트를 많이 도와주도록 할 수도, 적게 도와주도록 설정할 수도 있다. 논문의 실험에 사용된 세팅에서 슈트는 스쿼트를 할 때 3~4J의 탄성 에너지를 저장/방출하고 100~150N의 힘으로 척추 기립과 고관절 신전을 도와준다. 이는 스쿼트 시 필요한 근력의 10% 정도를 보조하는 수준이다.

동작이 스쿼트 형태에 가까워질수록 신축성이 높아지고 움직임이 편해지는 본 엑소 슈트는 착용자로 하여금 자발적으로 리프트 동작을 개선하도록 유도하는 효과가 있다. 이전에 엑소 슈트를 사용해 본 경험이 없는 10명의 사람들을 대상으로 한 실험에서 10명 중 9명이 슈트를 착용한 직후, 리프트 자세가 스쿼트 형태에 가까워지는 방향으로 개선되었다 (10명 평균 스쿼트 지표 35% 개선). 또한 탄성 에너지의 저장 및 방출로 스쿼트를 도와주는 효과로 인해 10명 중 9명의 사람들은 슈트를 통해 스쿼트 동작 시 소모되는 대사 에너지를 절감할 수 있었다 (10명 평균 대사 에너지 소모량 5.3% 감소). 이러한 엑소 슈트의 작용은 리프트 작업에서 작업자들의 허리 부상을 줄이고 작업 효율을 높여주는 효과가 있을 것으로 기대된다.

(의의) 본 연구에서 개발된‘신체 구동식 가변 임피던스’기술은 리프트 뿐만 아니라 다양한 운동 분야의 특성에 맞춰서 개량될 수 있는 확장 가능성을 가진다. 예를 들어‘걷기, 달리기’와 같은 일상 동작이나‘골프, 수영’과 같은 스포츠 동작 등 다양한 분야에서 올바른 전신 동작을 구현하는 것이 중요하다. 연구팀이 개발한 기술은 추후 다양한 작업, 스포츠에 접목되어 바른 동작을 유도하는 의복으로 발전하여 착용자의 역량을 향상시키고 부상을 방지하거나 통증을 완화하는 데에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 이 성과는 엑소 수트를 이용하여 사람의 근력을 보조하는 것만이 아니라 동작 패턴을 개선할 가능성을 제시한 연구로 인정받아 저명한 국제 저널인‘사이언스 로보틱스(Science Robotics)’에 8월 25일(수)자로 게재되었다. 현재 사이언스로보틱스(Science Robotics) 사이트를 통해 열람 가능하다.

논문 링크: https://doi.org/10.1126/scirobotics.abe1243
대표 영상 링크: https://youtu.be/j5ux5VdPIjE

(연구기관) 본 연구를 수행한 인간중심소프트로봇기술연구센터(센터장: 서울대학교 조규진 교수)는 2016년부터 기계공학, 전산공학, 의학, 의류학, 운동역학을 포함한 다양한 학문분야의 융합연구를 통해 인간의 운동 능력 증진을 위한 다양한 착용형 소프트 로봇을 개발하고 있다.