광구동 센서로 거동 제한 환자에게 첨단 착용형 재활 지원

포항공과대학교(POSTECH), 대한민국 포항

다축 변형 매핑을 통한 3축 어깨 회전 운동 감지. (이미지: POSTECH)

최근 한 한국 기업이 거동이 제한된 환자들의 재활을 돕기 위해 설계된 착용형 로봇을 한 병원에 기증했습니다. 환자들은 이 로봇을 착용하고 걷기나 앉기 같은 동작을 수행하면서 근육과 관절 운동을 보조받습니다. 스마트워치나 안경처럼 사람들이 착용하고 피부에 부착하는 착용형 장치들은 일부 사람들에게 이 로봇 혁신처럼 삶의 질을 높여주는 희망의 빛이 될 잠재력을 가지고 있습니다.

이 재활 로봇에 사용되는 변형 센서들은 특정 부위의 특정 물리적 변화를 전기 신호로 변환해 데이터를 분석합니다. 특히 유연한 이 센서들은 가벼운 소재로 만들어져 피부 부착이 용이하며, 가장 미세한 신체 변화도 능숙하게 측정합니다. 그러나 기존 소프트 변형 센서는 온도와 습도 같은 외부 요인에 취약해 내구성이 부족한 경우가 많습니다. 게다가 복잡한 제조 공정은 광범위한 상용화에 걸림돌이 됩니다.

포항공과대학교 융합IT공학과와 기계공학과 성민 박 교수 연구팀과 기계공학과 박사과정 홍성욱 씨가 컴퓨터 비전 기술을 광학 센서에 통합해 이러한 소프트 변형 센서의 한계를 극복하는 데 성공했습니다. 연구 결과는 Flexible Electronics에 게재되었습니다.

연구팀은 연구 중 컴퓨터 비전 기반 광학 변형(CVOS) 센서 기술로 알려진 센서 기술을 개발했습니다. 기존 센서들이 전기 신호에 의존하는 것과 달리, CVOS 센서는 컴퓨터 비전과 광학 센서를 이용해 마이크로스케일 광학 패턴을 분석해 변화를 데이터로 추출합니다. 이 접근법은 센서 기능을 저해하는 요소를 제거하고 제조 공정을 간소화함으로써 내재적으로 내구성을 높이고 센서 상용화를 촉진합니다.

기존 센서가 이축 변형만 감지하는 반면, CVOS 센서는 실시간 다축 변형 매핑을 통해 3축 회전 움직임을 감지하는 탁월한 능력을 보입니다. 본질적으로 이 센서들은 단일 센서로 복잡하고 다양한 신체 움직임을 정밀하게 인식할 수 있게 합니다. 연구팀은 CVOS 센서를 재활 치료 보조 기기에 적용하는 실험을 통해 이를 입증했습니다.

신호 감지 중 발생하는 다양한 오류 요인을 보정하는 AI 기반 응답 보정 알고리즘 통합을 통해 실험 결과 높은 신뢰도를 보였습니다. 10,000회 이상의 반복 후에도 이 센서들은 일관되게 탁월한 성능을 유지했습니다.

연구를 이끈 박 교수는 "CVOS 센서는 다양한 방향과 각도의 신체 움직임을 구별하는 데 뛰어나 효과적인 재활 개입을 최적화합니다. 설계 지표와 알고리즘을 특정 목표에 맞게 조정함으로써 CVOS 센서는 산업 전반에 걸쳐 무한한 응용 잠재력을 가집니다."라고 설명했습니다.

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