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2024. 7. 23.

칼럼리스트 김경식

재활로봇 사례를 통해 바라본 첨단기술과 ‘실험실기술’

첨단 장애인 보조공학기술(Assistive Technology)의 발전은 다양한 분야에서 빠르게 진행되고 있으며, 특히 장애인당사자의 디지털 접근성과 자립적인 생활을 지원하는 기술들이 주목받고 있다.

그 몇 가지 예를 살펴보면 스마트 휠체어: 자동 내비게이션 기능- GPS와 AI를 이용하여 사용자에게 최적의 경로를 제시하고, 장애물을 회피하는 기능을 갖추고 있으며, 음성 인식 제어- 음성 명령을 통해 휠체어를 조작할 수 있는 기능의 구현을 통해 사용자에게 더욱 편리한 이동성을 제공함을 목적으로 하고 있다.

 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI): 뇌파를 이용한 기기 제어- 뇌파를 통해 컴퓨터나 로봇 팔을 제어하는 기술로, 중증 장애인에게 큰 도움이 될 것으로 기대되고 있다. 재활 훈련에의 적용 - 뇌의 신경 신호를 활용하여 재활 훈련을 돕는 시스템, 예를 들어 뇌졸중 환자의 회복을 지원하고 있다. 의수 및 의족 & 생체신호 기반 제어- 근육의 신호를 감지하여 움직임을 제어하는 고도화된 의수 및 의족 시스템 등이 있다.

 3D 프린팅 기술: 사용자 맞춤형으로 설계되고 제작된 보조기기, 가격을 낮추고 접근성을 높이는 데 크게 기여하고 있다.

 증강 현실(AR) 및 가상 현실(VR): 재활 및 교육 도구로 활용되고 있으며, AR과 VR을 이용한 재활 프로그램 형태를 통해 사용자에게 몰입형 환경을 제공하여 재활 효과를 극대화하고 있으며, 일상생활 훈련의 방식으로 장애인이 안전하게 일상생활 기술을 연습할 수 있는 가상 환경 제공하고 있다.

 음성 인식 및 텍스트-음성 변환(TTS) 기술은 커뮤니케이션 도구- 음성 인식을 통해 텍스트를 생성하거나, 텍스트를 음성으로 변환하여 말하기 어려운 사람들을 돕는 기술로 상대적으로 널리 활용되는 형태이다.

 스마트 홈 디바이스 통합시스템: 스마트 홈 기기를 음성 명령으로 제어할 수 있는 기능, 예를 들어 조명, 온도 조절, 문 잠금장치 등을 제어할 수 있는 시스템으로 근래 건축 분야에서 그 적용과 이용이 증가 되고 있는 기술 중 하나이다.

 웨어러블 디바이스: 헬스 모니터링- 심박수, 혈압, 산소 포화도 등 생체 신호를 모니터링하고 사용자에게 알림을 제공하는 웨어러블 기기이며, 균형 및 이동성 지원 기능- 사용자에게 균형 유지와 이동성을 지원하는 웨어러블 로봇 및 보조 기기이다.

이러한 최신 보조공학기술들은 장애인의 삶의 질을 크게 향상시키며, 자립적인 생활을 가능하게 하는 중요한 도구로 여겨지고 있으나 그 보편화(普遍化)에는 한계가 있는 기술이 존재하는 것 또한 부정할 수 없는 현실이며, 상용화 또는 보편화에 어려움이 있는 첨단기술들을‘실험실기술’이라 불리우고 있다.

‘실험실기술’의 실제 사례를 현대기술의 총아(寵兒)로 불리우는 재활로봇의 사례를 통해 상세히 살펴보고자 한다.

 먼저 장애인 재활로봇 분야에 대해 살펴보면, 장애인 재활 로봇 기술은 장애인의 신체 기능 회복과 일상생활을 지원하는 데 중요한 역할을 하고 있다. 최근 몇 년간 이 분야에서는 눈부신 혁신과 발전이 이루어지고 있는데 외골격 로봇(Exoskeletons): EKSO Bionics- 하체 마비 환자를 위한 보행 훈련용 외골격 로봇으로, 사용자가 서서 걸을 수 있게 도움을 제공하는 형태이다.

 ReWalk은 하반신 마비 환자를 위한 웨어러블 로봇으로 일상생활에서의 이동성과 자립성 향상에 크게 유용하게 활용되고 있으며, HAL(Hybrid Assistive Limb)은 사이버다인(Cyberdyne)에서 개발한 로봇으로 신경 신호를 감지하여 사용자의 의도에 맞춰 움직임을 제공한다.

재활 훈련 로봇의 경우 Armeo은 상지 재활을 위한 로봇으로 다양한 운동 게임과 훈련을 통해 팔과 손의 기능을 향상시키는데 도움을 주고 있으며, InMotion ARM은 뇌졸중 환자를 위한 상지 재활 로봇으로 반복적인 운동을 통해 근력과 운동 조절 능력을 회복시키는 효능을 가지고 있다.

 로봇 보행 트레드밀 시스템 분야로는 Lokomat-로봇 보조 보행 훈련 시스템으로, 트레드밀과 로봇 외골격을 결합하여 보행 능력을 회복시키는 데 활용되고 있다. G-EO System은 다양한 보행 패턴을 훈련할 수 있는 로봇 보조 보행 시스템으로, 뇌졸중 및 척수 손상 환자에게 적합하다.

 로봇 팔 분야의 경우 MyoPro은 마이오 전자 근육 제어를 통해 사용자의 팔 움직임을 지원하는 로봇 팔로, 근력 약화 환자에게 적용되고 있다. DEKA Arm System은 고급 프로스테틱 상지로, 여러 관절과 감각 피드백 기능을 갖추어 자연스러운 움직임을 제공한다.

 로봇 재활 플랫폼 분야의 경우 Soma Solution은 다양한 신체 부위를 훈련할 수 있는 다목적 재활 로봇 플랫폼으로, 가상 현실(VR) 기술을 접목하여 몰입형 재활 훈련을 제공한다. Motek Medical은 사용자 맞춤형 재활 솔루션을 제공하는 로봇 플랫폼으로, 생체 역학적 분석을 기반으로 한 맞춤형 훈련 프로그램을 지원한다.

 소프트 로봇 기술 분야의 적용을 살펴보면 소프트 외골격은 유연한 소재를 사용한 외골격 로봇으로, 착용자의 움직임을 자연스럽게 지원하며 편안한 착용감을 제공한다. 또한 소프트 로봇 장갑은 손의 기능을 지원하는 로봇 장갑으로, 약한 근력으로도 손가락을 움직일 수 있게 도움을 제공한다.

 이러한 장애인 재활 로봇 기술은 정밀한 운동 제어와 반복적인 훈련을 통해 신체 기능 회복을 도우며, 사용자 맞춤형 접근 방식으로 각 개인의 필요에 최적화된 지원을 제공한다. 기술의 지속적인 발전과 함께 더 많은 장애인들이 이러한 혁신적인 도구를 통해 삶의 질을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.

 반면, 이러한 긍정적인 측면 이외에 부정적인 측면도 공존하는데 그것은 바로 보편적 활용의 어려움이다. 이유로는 서비스 비용 등의 경제적 측면과 각종 인허가 및 검정 등의 과정을 포함하는 기술적인 측면으로 나누어 생각해 볼 수 있을 것이다.

 재활로봇의 보편화는 앞서 잠시 언급한 바와 같은 여러 가지 도전 과제와 어려움에 직면해 있다. 이들 도전 과제는 기술적, 경제적, 사회적 측면 모두에 걸쳐 있으며, 각기 다른 방식으로 재활로봇의 보편화에 장애 요소로 작용하고 있다.

재활로봇의 보편화 장애 요소에 대해 살펴보면 먼저, 기술적인 측면이다. 

기술적 복잡성 측면에서 설계 및 개발- 재활로봇은 복잡한 센서, 액추에이터, 제어 시스템을 통합해야 하며, 이는 높은 기술적 도전 과제를 동반하고 있다.

 맞춤형 솔루션- 사용자의 신체적 요구나 기능적 제한이 다르기 때문에 로봇을 맞춤화하는 데 어려움이 있으며, 이로 인해 각 사용자에 맞는 개별적인 조정이 필수적이다,

 안전성 및 신뢰성 측면에서는 안전성- 재활로봇이 사용자와의 상호작용 중 발생할 수 있는 위험을 최소화해야 한다. 예를 들어, 로봇의 충돌 방지, 안전한 동작 등이 필수적인 고려 사항으로 꼽힌다. 신뢰성- 로봇의 신뢰성은 사용자의 건강과 안전에 직접적으로 영향을 미치므로, 높은 내구성과 신뢰성이 요구되는 것은 당연지사 일 것이다.

다음은 기술 표준 및 규제에서 규제 요구사항이다. 엄격한 규제- 재활로봇은 의료기기로 분류되기 때문에, 엄격한 안전성 및 성능 기준을 충족해야 한다. 이는 개발과 상용화에 시간이 많이 소요될 수 있음을 의미하기도 한다.

 기술 표준의 부합과 관련 규정의 미비 또는 부재는 재활로봇의 기술 표준이 일관되지 않거나 미비 또는 부재할 경우, 로봇의 상호 운용성이나 안전성을 보장하기 어려울 수 있으며, 미비하거나 부재한 규격이나 규정을 보완 재·개정하고 이에 따른 각종 시험을 거쳐 관련 서비스나 제품을 상용화하는 데 에는 엄청난 시간과 재원이 소요됨은 보편화의 큰 걸림돌이 아닐 수 없다.

 재활로봇의 기술 표준은 재활로봇의 설계, 제조, 사용 및 평가에 있어 중요한 기준을 제공해 주는 데 이러한 표준은 로봇의 안전성, 효율성, 신뢰성을 보장하며, 다양한 재활로봇 시스템 간의 상호 운용성을 높여 주는 역할을 하는데, 주요 요소들로는 안전성 표준 ISO 13482: 개인 서비스 로봇의 안전 요건을 다루는 표준으로, 인간과의 상호작용에서 발생할 수 있는 위험을 최소화하기 위한 지침을 제공한다.

 ISO 14971: 의료기기 위험 관리에 대한 국제 표준으로, 재활로봇의 설계 및 제조 과정에서 위험을 평가하고 관리하는 방법을 가이드하고 있다.

 IEC 60601-1: 의료 전기 장비의 일반 요구사항으로, 전기적 안전성과 성능을 보장하기 위한 지침을 포함한다.

 성능 및 품질 표준 분야의 기준으로 의료기기에서 가장 일반적으로 적용되는 ISO 13485은 의료기기 품질 경영 시스템에 대한 표준으로, 재활로봇의 설계, 개발, 생산 및 서비스 과정에서 품질을 보장하기 위한 지침을 제공한다.

 ISO 9241-210은 인간 중심 설계(Human-Centered Design) 원칙을 포함하는 표준으로, 사용자 경험을 고려한 재활로봇의 설계를 반영하고 있다.

 상호 운용성 표준 분야로 IEEE 11073은 의료기기 간 상호 운용성을 위한 표준으로, 재활로봇이 다른 의료기기와 원활하게 통신하고 데이터를 교환할 수 있는 기준을 제시해 주고 있다.

 HL7은 의료정보의 교환, 통합, 공유 및 검색을 위한 표준으로, 재활로봇과 전자 건강 기록 시스템 간의 데이터 교환을 용이하게 하는 표준을 제시 해준다.

 시험 및 평가 표준분야로 ISO 14708은 이식형 의료기기의 성능 시험 방법을 규정하는 표준으로, 일부 재활로봇의 경우 관련 시험을 수행할 수 있는 가이드라인을 제시하고 있다.

 ISO 17025은 시험 및 교정 실험시설의 역량에 대한 요구사항을 규정하는 표준으로, 재활로봇의 성능 시험을 수행하는 실험실의 품질을 보장하는 규정을 담고 있다.

 특정 응용 분야 표준으로 ASTM F48은 외골격 로봇에 대한 표준을 개발하는 위원회로, 외골격 로봇의 설계, 성능 및 안전에 대한 구체적인 지침을 제공 해 주는데, 참고로 ASTM 규격은 'American Society for Testing and Materials'의 약어이다.

 ISO 11199은 보행 보조 기구(워커 등)의 요구사항 및 시험방법을 규정하는 표준으로, 일부 재활로봇에 적용될 수 있다.

 윤리 및 사용자 중심 디자인 관련 항목으로 ISO 15223-1은 의료기기 라벨링의 기호 및 정보 제공에 대한 표준으로, 재활로봇의 사용법과 안전 지침을 명확하게 전달하는 데 유용한 규정항목이다.

 ISO 9241-11은 인간 중심 디자인의 사용성 원칙을 다루는 표준으로, 재활로봇의 사용자 인터페이스와 사용성 향상에 중점을 두고 있는 표준항목이다.

 이러한 기술 표준들은 재활로봇의 설계 및 개발, 시험 및 인증, 사용 및 유지보수에 걸쳐 전반적인 지침을 제공함과 동시에 재활로봇의 안전성, 효율성, 신뢰성이 보장되며, 사용자는 보다 높은 수준의 치료 효과를 기대할 수 있다.

 다음으로 장애인 재활로봇의 경우 인간 특히, 신체적, 정신적으로 제한점을 지니는 장애 당사자를 주된 대상으로 하고 있음으로 임상적 실용성 증빙 측면에서 효과성 입증을 위해 필수적인 임상 과정의 경우, 재활로봇의 임상적 효과를 입증하기 위한 연구나 시험과정이 필수적으로 요구된다. 이러한 과정과 관련 자료가 부족할 경우, 재활로봇의 유용성을 증명하기 어려운 관계로 그 보편화에 중요한 장애 요소로 작용한다.

 사용자 최적화 관점에서는 개별 요구사항은 사용자마다 신체적, 기능적 요구사항이 다르므로, 로봇을 개인 최적화하는 데 어려움이 곳곳에 산재하는 구조로 추가적인 시간과 비용이 필연적으로 발생할 수 밖에 없는 구조이다.

 로봇 기술의 경우 전자공학, 제어, 역학 등 여러 첨단기술의 복합체로 기술적 통합이 요소요소에 적용되고 있다. 예를 들어, 기존 시스템과의 통합으로 재활로봇이 기존 의료 시스템 및 치료 방법과 원활하게 통합되어야 적용되는 통합 과정에서 기술적 문제나 호환성 문제가 발생할 수 있다.

 이러한 기술적 문제들이 재활로봇의 보편화를 어렵게 만들 수 있으나 기술의 발전, 비용 절감, 정책 지원 강화, 교육 프로그램 확대 등을 통해 이러한 문제를 해결해 나가는 것이 중요하며 또한 우리에게 도전의 과제를 던져 주고 있다.

 다음으로 보편화 또는 상용화에서 가장 현실적인 제한요소인 경제적 측면은 우선 비용면에서 높은 제조 비용으로 고급 센서, 액추에이터, 제어 시스템을 포함한 복잡한 기술은 높은 제조 비용을 수반하며, 이로 인한 비용-효과 분석 측면에서 재활로봇의 효과를 입증하고, 비용 대비 효과를 평가하는 것은 어려운 과정임에 분명하다. 이러한 결과로 보험 적용과 같은 재정적 지원이 부족할 경우 사용자에게 부담으로 작용할 수 밖에 없는 구조이다.

 같은 맥락에서 정부 및 보험 지원을 바라보면, 정책적 지원 부족은 재활로봇에 대한 정부의 지원이 부족하여 장비의 접근성이 제한될 수 있으며, 보험 적용 에서도 재활로봇이 보험 급여의 범위에 포함되지 못해 환자와 가족이 높은 비용을 부담해야 하는 것이 현실이다. 앞서 사례로 소개한 장애인 재활로봇의 경우도 거의 모두 대형 의료기관에서 적용되고 있는 형태로 개인화에는 큰 어려움이 존재하는 것이 현실이다.

 사회적 및 윤리적 측면으로 인식 부족으로 인해, 재활로봇의 효과와 이점을 잘 이해하지 못하는 경우가 상존하는데 이는 재활로봇에 대한 수용을 어렵게 할 수 있다. 의료 제공자와 사용자를 위한 충분한 교육과 훈련이 필수적 과정인데 로봇 사용법을 익히지 못하면 로봇의 효과를 충분히 활용에 어려움을 겪게 된다.

 앞서 살펴 본 여러 제한점으로 상용화 또는 보편화가 이뤄지지 못한 기술을 ‘실험실 기술’ 이라고 하고, 이러한 실험실 기술의 상용화는 여러 가지 한계와 도전에 직면하는데, 그 한계로는 기술적, 경제적, 규제적, 사회적 및 윤리적 측면에서 다양하게 나타날 수 있다.

 가장 우선적으로 기술적 한계로 성능 재현성, 연구 단계와 상용화 단계 간의 차이를 들 수 있는데, 실험실에서 성공적인 기술이 상용화 단계에서 동일한 성능을 유지하기 어려 울 수 있다. 이는 작은 샘플의 크기와 통제된 환경에서의 성과가 대규모 생산 및 다양한 환경에서 재현되기 어려운 경우가 많기 때문이다.

 이러한 규모 확장의 문제는 실험실에서 소규모로 성공한 기술을 대규모로 확장하는 데는 기술적 어려움이 있을 수 있다. 이는 반응 조건, 재료 특성, 공정 안정성 등이 대규모에서 달라질 수 있기 때문이다.

 기술 성숙도 또한 기술적 한계의 대표적인 사례로 들 수 있는데, 실험실 기술이 상용화되기 위해서는 기술 준비 수준(TRL, Technology Readiness Level)이 높아야 하는 것을 필수적 요구사항으로 하고 있다.

 다음으로 대표적으로 개발 비용과 같은 경제적 한계를 들 수 있다. 연구 개발(R&D) 비용은 기술을 상용화하기 위해 상당한 R&D 투자를 요구하는데,이는 실험실에서의 기본 연구를 넘어 프로토타입 개발, 시험 생산, 최적화 등 복잡하고 다양한 과정과 절차에 대한 비용이 포함되기 때문이다.

 시장 진입 비용 또한 중요한 고려 요소로 마케팅 및 배포 비용을 포함한 사항으로 새로운 기술을 시장에 도입하려면 마케팅, 유통망 구축, 소비자 교육 등 다양한 비용이 필요로 하는데 특히 초기 시장 진입 비용은 매우 높을 수 있다.

 경제성 확보는 비용 대비 효율로 간단히 표현할 수 있는데, 기술이 상용화되려면 경제성이 확보되어야 한다. 생산 비용, 운영 비용, 유지보수 비용 등이 시장에서 수용 가능한 수준이어야 하는 것이다.

 규제적 한계는 앞서 잠시 언급한 인증 및 승인을 포함하는 내용으로 규제 요건 충족은 많은 실험실 기술, 특히 의료기기, 화학물질, 식품 관련 기술 등은 엄격한 규제 요건을 충족해야 대량생산과 이에 따른 상용화가 가능하다. 이는 인증, 시험, 승인 절차를 포함하며, 상당한 시간과 비용이 소요된다.

 법적 제한은 상용화 전 단계에서 가장 실질적인 제한요소로써 가장 보편적으로 지적 재산권 보호를 들 수 있다. 기술의 상용화를 위해서 기술 도용 방지와 독점적 시장 지위 확보에 필수적으로 요구되는 특허 등 지적 재산권 보호를 중요시하며 인체와 관련된 의료기기와 관련한 사항으로는 개인정보와 의료정보의 보호가 필수적으로 요구되어 왔고 그 중요성은 날로 증대되고 있다.

 사회적 및 윤리적 한계로는 사회적 수용성 항목으로 공공 인식을 들 수 있다. 새로운 기술이 사회적으로 수용되기 위해서는 공공 인식과 수용성이 중요한 요소로 작용하는데, 이는 특히 생명공학, 인공지능 등 일부 기술 분야에서 큰 도전 과제가 될 수 있다.

 윤리적 문제로 일부 기술은 윤리적 논란을 야기할 수 있다. 예를 들어 유전자 조작, 이종 교배, 인공지능의 결정권 등은 사회적 윤리적 논의가 필요한 부분이다.

 마지막으로 시장 경쟁을 들 수 있는데 기존 기술과의 경쟁 즉, 시장 점유율 확보는 새로운 기술이 기존의 기술과 경쟁하여 시장 점유율을 확보하는 것은 매우 어려운 일이다. 기존 기술은 이미 인프라, 소비자 신뢰, 비용 효율성 등을 확보하고 있는 경우가 많기 때문이다.

출처 : 에이블뉴스(https://www.ablenews.co.kr)