인공 팔다리와 보조기는 생체 의료 공학 분야의 핵심적인 영역으로, 신체의 손상되거나 결손된 기능을 대체하거나 보조하여 환자의 기능 회복과 삶의 질을 높이는 데 사용이 됩니다. 인공 팔다리는 질병, 사고, 또는 선천적 결손으로 인해 신체의 일부를 상실했을 때, 그 기능을 대체하기 위해 착용하는 장치이고, 보조기는 신체의 일부가 손상되거나 악화되었을 때, 그 기능을 보조, 지지, 교정 또는 제한하기 위해 착용하는 장치입니다. 신체 부위가 결손된 것은 아닙니다.
본 글에서는 인공 팔다리 및 보조기의 주요 유형 및 작동 원리, 첨단 의족, 보조기의 작동 원리 심화에 대해서 설명하도록 하겠습니다.
- 주요 유형 및 작동원리
- 첨단 의족
- 보조기의 작동 원리 심화
주요 유형 및 작동원리
1. 인공 팔다리 (Prosthetics)의 작동 원리 심화
인공 팔다리, 특히 팔에 사용되는 상지 의지(Upper Limb Prostheses)는 복잡한 제어 기술이 적용됩니다.
근전도 의지 (Myoelectric Prostheses)
EMG 센싱: 절단 부위에 남아있는 근육(예: 팔뚝의 굴근과 신근)이 수축할 때 발생하는 미세한 전기 신호인 근전도(EMG: Electromyography) 신호를 피부에 부착된 전극 센서가 감지합니다.
신호 증폭 및 처리: 이 미세한 신호는 증폭되고, 마이크로프로세서가 근육의 수축 강도와 패턴을 분석하여 사용자가 의도한 동작(예: 손가락 펴기, 쥐기)을 해석합니다
모터 구동: 해석된 명령에 따라 손, 손목, 또는 팔꿈치 관절에 내장된 소형 고출력 모터가 구동됩니다.
다중 동작: 최근에는 여러 개의 EMG 센서와 머신러닝 알고리즘을 사용하여 여러 동작을 동시에 또는 순차적으로 수행하는 다중 관절 의지도 개발되고 있습니다.
첨단 의족 (Advanced Lower Limb Prosthetics)
하퇴 의족은 안정적인 보행이 핵심입니다.
마이크로프로세서 제어 무릎 관절 (MPK: Microprocessor-controlled Knee):
원리: 보행 속도, 지형(경사로, 계단), 발목의 각도 등을 센서로 실시간 측정합니다.
작동: 내장된 마이크로프로세서가 이 데이터를 분석하여 유압 또는 공압 시스템을 제어해 무릎 관절의 저항(Resistance)을 매 순간 변화시킵니다. 이로써 평지, 계단, 경사로 등 어떤 환경에서도 사용자가 가장 안정적이고 효율적인 보행을 할 수 있도록 돕습니다
보조기 (Orthotics)의 작동 원리 심화
보조기는 수동적인 지지 역할에서 벗어나 능동적인 보조 역할로 발전하고 있습니다.
착용형 로봇 보조기 (Exoskeleton/Powered Orthotics)
동작 의도 감지: 사용자가 걷기 위해 몸을 기울이는 등의 무게 중심 변화나, 남아있는 근육의 EMG 신호를 센서가 감지하여 보행 의도를 파악합니다.
동력 보조: 고성능 전기 모터가 무릎과 고관절에 장착되어 환자의 다리에 필요한 추진력과 지지력을 제공합니다. 이는 로봇이 외부에서 힘을 더해 환자의 움직임을 보조(Assist)하거나 대체(Substitute)하는 것입니다.
균형 및 안정성: 복잡한 제어 알고리즘을 통해 보행 중 넘어지지 않도록 균형을 실시간으로 제어합니다.
역할: 재활 훈련뿐만 아니라, 하반신 마비 환자가 직립 보행을 할 수 있도록 도와 일상생활을 지원합니다.
관련 공학: 로봇 공학 (구조, 모터), 센서 공학 (각도, 압력, 힘 센서), 제어 공학 (보행 궤적 생성, 안정성 제어).
기능적 전기 자극 보조기 (FES: Functional Electrical Stimulation)
센싱: 보행 주기를 감지하는 센서를 착용합니다.
전기 자극: 발이 땅에서 떨어져야 하는 순간(유각기)에 맞춰 다리 근육(예: 앞정강근)에 외부에서 미세한 전기 자극을 주어 근육을 강제로 수축시킵니다.
효과: 이를 통해 발이 처지는 것을 방지하고 정상적인 보행 패턴을 유도하여 걷는 것을 돕습니다.
인공 팔다리 및 보조기의 주요 유형 및 작동 원리, 첨단 의족, 보조기의 작동 원리 심화에 대해서 배웠습니다. 저도 다리를 다쳤을때 목발을 짚었던 경험이 있는데 이렇게 보조기들이 있으면 많은 도움이 됩니다. 과학과 기술이 더 발전이 되어서 다양하고 유익한 보조기들이 많이 나왔으면 좋겠습니다.