• 최종편집 2021-09-19(일)
 

[교육연합신문=박근형 기자]

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사진=서울대 인간중심소프트로봇기술연구센터

 

서울대 연구진이 물건을 들때 안전한 리프팅 동작을 유도, 허리부상의 위험도를 낮출수 있는 '엑소슈트'를 개발했다. 

 

'엑소슈트'는 무게 약 830g으로 별도의 동력원이 필요 없는 착용형이다. 본 슈트는  서울대 기계공학과(조규진 교수)·체육교육과(안주은 교수), 서울대병원 재활의학과(김기원 교수)의 융합연구로 진행 및 개발 됐다.

 

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


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

 

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 슈트이다. 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 작용해 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 있으며 슈트를 착용시 스쿼트 시 필요한 근력의 10% 정도를 보조한다.


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 개선됐다. 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. 이러한 엑소 슈트의 작용은 리프트 작업에서 작업자들의 허리 부상을 줄이고 작업 효율을 높여주는 효과가 있을 것으로 기대된다.


본 연구에서 개발된 '신체 구동식 가변 임피던스' 기술은 리프트뿐만 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 접목돼 바른 동작을 유도하는 의복으로 발전하여 착용자의 역량을 향상시키고 부상을 방지하거나 통증을 완화하는 데에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.


이 성과는 엑소 수트를 이용해 사람의 근력을 보조하는 것만이 아니라 동작 패턴을 개선할 가능성을 제시한 연구로 인정받아 저명한 국제 저널인 '사이언스 로보틱스(Science Robotics)'에 8월 25일자로 게재됐다.

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서울대, 안전한 리프팅 무동력 가변 신축성 '엑소슈트' 개발
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