적응형 외골격 슈트: 일상 보행을 위한 맞춤형 지원

사람들은 거의 일정한 속도와 단일 경사로 걷지 않는다. 다음 약속에 늦어 뛰거나, 횡단보도 신호 잡으려 뛰거나, 공원에서 산책할 때 속도 바뀐다. 경사도도 계속 변한다. 하이킹갈 때나 건물 진입로 오를 때나. 환경 변이 외에도 걷는 방식은 성별, 키, 나이, 근력, 때로는 뇌졸중이나 파킨슨병 같은 신경·근육 장애에 영향을 받는다.

이 인간·작업 변동성은 실제 조건에서 걷기를 보조하거나 증강하는 착용형 로봇 설계에 큰 도전이다. 현재 착용형 로봇 보조를 개인 걸음걸이에 맞추려면 수시간 수동·자동 튜닝 필요. 건강한 개인에게도 지루한 작업이고 고령자나 임상 환자에겐 종종 불가능하다.

하버드 존 A. 폴슨 공학응용과학대학원(SEAS) 연구자들이 로봇 외골격 슈트 보조를 개인에 맞춰 교정하고 다양한 실제 보행 과제에 몇 초 만에 적응하는 새 접근법을 개발했다. 생체모방 시스템은 초음파로 근육 역학을 측정해 외골격 슈트 사용자를 위한 개인화된 활동별 지원 프로필을 개발한다.

이전 로봇 외골격 슈트 개인화 지원 프로필 생체모방 시도는 착용자 팔다리 동적 움직임에 초점 맞췄다. SEAS 연구자들은 다른 접근법 취했다.

팔다리 움직임과 그 움직임을 이끄는 근육 사이에는 반드시 직접적 매핑이 있는 건 아니다. 그래서 근육 역학 연구 위해 팀은 참가자 종아리에 휴대용 초음파 시스템을 묶고 걷기 과제 수행하며 근육 이미징했다.

이 사전 기록 이미지에서 걷기 사이클 밀기 단계(push-off phase)에서 종아리 근육이 추가로 수행해야 할 일을 상쇄하기 위해 병렬로 적용할 보조 힘 추정했다. 새 시스템은 걷기 몇 초만 필요. 심지어 한 걸음만으로도 근육 프로필 포착 가능.

각 초음파 생성 프로필마다 연구자들은 외골격 슈트 착용 시와 미착용 시 대사 에너지 사용량 측정했다. 근육 기반 보조가 다양한 걷기 속도와 경사에서 걷기 대사 에너지를 유의미하게 줄임을 발견.

외골격 슈트는 이전 연구들보다 낮은 보조 힘으로 동일하거나 개선된 대사 에너지 이점 달성. "근육을 직접 측정하니 외골격 슈트 사용자와 더 직관적으로 협력할 수 있다"라고 대학원생 이상준(Sangjun Lee)은 말했다. "이 접근법으로 외골격 슈트는 착용자를 압도하지 않고 협력적으로 작동한다." 실제 상황 테스트에서 외골격 슈트는 걷기 속도와 경사 변화에 빠르게 적응했다.

다음으로 연구팀은 지속적 실시간 조정 시스템 테스트 목표.