바이오닉 스포츠맨: 최첨단 의수가 운동선수 평등을 실현하다

미용과 기능 양면에서, 잃어버린 신체 부위를 의수(그리스어로 '부착')로 대체하는 건 항상 필수였습니다. 현재 기술은 마이오일렉트릭 센서 도입으로 근육 활동으로 의수를 작동하게 함으로써 단순 기계적 사지 대체를 넘어 생체역학적 차원으로 끌어올렸습니다. 여기서는 전자공학보다 스포츠용으로 설계된 의수를 구성하는 소재, 특히 소재에 초점을 맞춥니다.

의수 진화

옛날엔 사지 심각한 상처의 유일한 치료가 절단이었습니다. 하지만 잃어버린 사지 대체는 드물고 귀족에게만 허락됐습니다. 최초 기록된 의수는 이집트에서 발견됐습니다. 기원전 950년경 귀족 여성 미라에서 나무와 가죽으로 만든 의족 발가락과 잃어버린 부분을 복제한 조각 손톱이 발견됐습니다(그림 1) [1].

그림 1. 기원전 959년 이집트에서 발견된 미용 손가락 [2].

중세 시대에 의수가 더 기능적으로 변했습니다(그림 2). 전투에서 팔을 잃은 남성들은 방패를 놓을 수 있는 요소가 있는 철제 장치로 사지를 대체했습니다. 한편 선원들은 배에서 쉽게 구할 수 있는 갈고리와 나무 막대로 팔뚝과 다리를 대체했습니다.

그림 2. 중세 철제 의수 팔 [1].

최초 기능적 의수는 16세기 프랑스 외과의사 앙브루아즈 파레가 고안했습니다. 의수에 구부러지는 무릎(서 있을 때 잠금 가능)과 프랑스 기병대장들이 말고삐를 쥐고 풀 수 있는 손이 포함됐습니다 [3]. 17세기 네덜란드 외과의사 피터르 베르다인은 관절과 더 나은 다리 부착을 의수에 포함시켰습니다. 이후 스프링으로 근육과 힘줄을 시뮬레이션했습니다. 1990년대 마이크로프로세서가 의수 무릎 움직임을 제어하기 위해 도입됐고, 센서가 전근전도 자극을 기록해 의수를 움직였습니다(그림 3) [3].

그림 3. 연도별 대퇴절단 의수 진화 [3].

세 가지 주요 구성요소

의수는 위치에 따라 명명된 네 가지 신체 부위를 대체할 수 있습니다: 상완절단, 전완절단, 하퇴절단, 대퇴절단. 용도와 위치와 상관없이 의수는 사용을 쉽게 하려 가벼워야 합니다(원래 사지만큼 무거우면 도움 안 됨. 두 팔과 두 다리가 각각 체중 10%, 30-40%를 차지하므로).

의수는 일반적으로 세 가지 주요 구성요소(현수장치, 파일론, 소켓)로 이뤄지며, 의수 유형(미용/기능)과 위치에 관계없이 대체로 같습니다 [4].

소켓은 의수가 잔존 사지에 부착되는 부분입니다. 사용자 편안함과 의수 전체 효율을 위해 소켓이 잔존 사지 피부를 자극하지 않고 충격이나 힘을 전달할 수 있는 게 필수적입니다. 소켓은 이전 양모를 대체해 폴리프로필렌으로 보통 만듭니다.

현수장치는 파일론과 소켓 사이 접합부입니다. 파일론을 잔존 사지에 고정하는 데 필수적이며, 보통 흡입 방식으로 진공을 만들어 두 부분을 고정합니다.

파일론은 의수의 핵심입니다. 일반적으로 티타늄이나 탄소섬유(강철보다 더 탄력적이고 가볍고 강함)로 만들며, 예전 나무를 대체합니다. 파일론은 주로 자연 피부색과 맞는 부드러운 소재로 덮습니다.

스포츠용 의수

2차대전 후 절단자들의 스포츠 활동 참여가 일상으로 복귀 기회가 돼 웰빙과 사회적 포용감을 높였습니다. 따라서 잃어버린 사지 대체 후 의수를 스포츠용으로 최적화하는 방향으로 나아갔습니다.

이 발전은 주로 달리기로 유명합니다. 1980년대 격렬한 신체활동용 초기 의수 중 하나가 시애틀 풋(그림 4)이었습니다. 폴리우레탄 쉘로 둘러싸인 내부 유연한 델린(금속과 플라스틱 사이 특성을 가진 결정질 플라스틱) 킬이 스프링 역할을 해 에너지의 일부를 되돌려줬습니다 [5].

그림 4. 시애틀 풋 단면 [6].

플렉스풋(그림 5)과 리플렉스 VSP를 이용해 하지 절단자들이 더 에너지 효율적인 달리기를 달성했습니다. 탄소섬유 도입으로 정상 주자처럼 발앞꿈치로 더 많이 달릴 수 있게 됐습니다 [7]. 특히 플렉스풋은 폴리우레탄이나 폴리아세탈로 만든 다른 의수 대비 가장 높은 에너지 반환율을 보였습니다 [5].

그림 5. 플렉스풋 의수 [8].

최근 남아공 오스카 피스토리우스가 올림픽에 출전한 최초 양쪽 다리 절단 선수로 헤드라인을 장식하며 기술 도핑 논쟁을 촉발했습니다(그림 6). 단거리 선수는 의공학자 반 필립스가 발명한 치타를 썼습니다. 모양이 전진용으로 설계돼 발뒤꿈치가 없습니다.

조시 맥휴 [9]에 따르면, "치타는 제멋대로 튀어 오르는 것 같다. 가만히 서 있기 불가능하고 천천히 움직이기 어렵다. 일단 가속하면 치타는 제어하기 극도로 어렵다." 이유는 치타가 탄소섬유 강화 폴리머(폴리에스터, 에폭시, 나일론이 탄소섬유를 결합)로 만들어졌기 때문입니다. 섬유 방향과 밀도에 따라 다른 강성 수준을 줄 수 있습니다.

탄소섬유가 스프링 역할을 해 각 걸음마다 선수 운동에너지를 저장하고 방출합니다. 특히 발목 관절 기계적 일의 음양성 비율이 치타는 0.907, 건강한 선수는 0.401입니다 [7].

무릎 기계적 일은 음성·양성 단계에서 각각 건강한 선수보다 11배, 8배 높았습니다 [7]. 인공사지의 향상된 탄성 특성 덕분에 패럴림픽 멀리뛰기 선수들은 의족으로 도약합니다.

그림 6. 치타 의족을 신고 출발선 선 오스카 피스토리우스 [10].

달릴 때 대퇴절단 선수가 하퇴절단 선수보다 더 불리합니다. 주된 이유는 무릎 관절이 높은 복잡성으로 기계적으로 재현하기 어렵기 때문입니다. 대퇴절단 선수 달리기는 건측과 환측 간 스윙 단계에서 최대 36% 비대칭이 특징입니다 [11]. 따라서 관성이 회복 단계 중 의수 가속에 영향을 주는 문제를 완화할 다양한 해결책이 제안됐습니다.

달리기뿐 아니다

스포츠용 의수 진화는 달리기 세계에 국한되지 않습니다. 보통 하퇴 의수는 직립 자세가 필요한 스키 같은 스포츠에, 상지 의수는 조정이나 사이클링 같은 스포츠에 쓰입니다. 사이클링에서 팔이 주는 추진력과 안정성이 필수적입니다. 많은 스포츠에서 의수 적응이 필수는 아니지만, 대부분 경우 필요합니다 [11].

사이클링에서 상지 의수는 브레이크와 기어 변속이 가능해야 합니다. 표준 개폐 메커니즘이면 충분합니다. 하지만 경쟁 사이클링에선 선수가 핸들 위치를 바꿀 능력도 보장해야 합니다 [11]. 산악자전거엔 승차 진동이 핸들로 전달되는 걸 줄이는 쇽업소버가 필요합니다(그림 7).

하퇴의 경우 걷기와 달리기에 도움 되는 에너지 저장 발이 사이클링에선 탄성 탓에 제대로 추진하지 못하게 해 단점입니다 [11]. 일반적으로 일반 하퇴 의수로 추진력 확보가 충분합니다. 그래도 페달 폭 확장과 의수-페달 고정 굽힘 같은 적응이 고려돼야 합니다.

그림 7. 산악자전거용 상지 의수 피스톤 적응 [12].

편측 절단 선수들은 방수 의수라면 보통 문제없이 수영할 수 있습니다. 하지만 효율을 높이려 건측 소켓에 직접 핀을 부착해 건측과 같은 길이로 만듭니다(그림 8) [11].

그림 8. 수영용 핀 적응 [12].

또한 바틀릿 텐던 유니버설 니와 XT9는 스키·스노보드·모터바이크 같은 익스트림 스포츠용 의수입니다. 둘 다 사고로 사지 잃은 스포츠맨들이 발명했습니다.

미래

나이키, 아디다스 같은 기업들도 스포츠용 의수 개발에 나서고 있습니다. 아디다스는 탄소섬유, 소르보탄(폴리우레탄), 알루미늄 소재로 심바이오시스 의수 라인을 만들었습니다 [13]. 나이키는 오서의 탄소섬유 블레이드와 연동되는 의수를 만들어 안정성, 에너지 반환, 회복 같은 이점을 제공했습니다(그림 9).

그림 9. 나이키 의수 [13].

스포츠·일반용 의수 가격을 낮추려 3D 프린팅이 생산에 활용됐습니다. 일반 의수처럼 3D 프린팅 의수도 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 아크릴, 폴리우레탄 같은 플라스틱으로 만들어지며, 내부 파일론은 티타늄, 알루미늄, 탄소섬유입니다.

스포츠 의수와 일반용 미래는 골유착, 즉 절단자 뼈에 티타늄으로 의수를 직접 고정하는 데 있는 듯합니다. 하지만 골유착은 장단점이 있습니다. 소켓 부재로 불편함과 피부 압박을 줄일 수 있습니다. 반면 감염 위험이 높고 환자는 돌출부 피부 부위를 매일 관리해야 하며, 점프나 달리기 같은 활동을 못 할 수 있습니다.