인간 증강은 개인의 인지 및 신체 능력을 강화하기 위해 생명, 전자, 기계공학 등을 활용해 신체에 장비 및 기기를 장착시키는 기술로, 의료·군사·산업 분야에서 연구가 활발하다. 가장 대표적인 인간 증강은 디바이스를 신체 내부에 이식하거나 신체에 부착함으로써 선천적인 신체적 능력을 향상시키는 웨어러블 디바이스이다.

신체(물리) 증강은 감각 증강(청각, 시각, 지각), 팔다리(appendage)와 생물학적 기능 증강(외골격, 보철), 두뇌 증강(발작을 치료하기 위한 임플란트), 유전자 증강(체세포 유전자와 세포 치료)의 네 개 주요 카테고리로 나뉘고, 인지 증강은 정보나 응용 프로그램을 사용하여 학습을 돕거나 새로운 경험을 제공하고 인간의 능력을 향상해 더 나은 의사 결정과 사고를 할 수 있도록 한다.

인간 증강은 다양한 문화적·윤리적 영향을 미치며 이에 대한 사회 과학적 연구가 필요하다. 예를 들어, 유전자 증강을 위한 CRISPR 기술(유전자 편집 기술)은 중대한 윤리적 영향을 미칠 수 있다.

이에 한국연구재단 기초연구본부는 스마트 인간 증강에 대한 연구동향 브리프를 발간했다(NRF R&D BRIEF 2021-15호/공학단).

 

 

■ 최근 국외 연구 동향은?

ㅇ 스위스: Hocoma사, Assist-as-Needed(AAN) 방식의 상지로봇 재활 치료기 Armeo Power 개발(Neurological Recovery Center 홈페이지)

▪ 스위스 HoComa사에서는 센서와 지능형 알고리 즘을 활용하여 신경계 장애 환자의 초기 재활 치료를 위한 AAN 방식의 상지 로봇 재활 치료기를 개발하였음. 가상 환경에서 확대된 성능 피드백(Augmented Performance Feedback)을 활용한 재활 운동을 제공하여, 환자의 신경 가소성 재활 치료에 효과적인 동기 부여를 기대함. 또한 환자의 재활 운동에 관련된 센서 및 모터 데이터 결과를 모니터링 할 수 있어 환자의 상태에 따라 치료 요법을 최적화할 수도 있음.

ㅇ 미국: Myomo, 상지 신경 로봇 재활 치료기(Myomo 홈페이지)

▪ 미국 Myomo사에서는 피부 표면 의 비침습형 EMG 센서를 활용하여 신경계 장애 환자의 근전도 신호를 수신 및 증폭하는 상지 신경 로봇 재활 치료기를 개발하였음. 환자의 신경 가소성 재활 치료에 자발적인 동기를 제공할 뿐 만 아니라, 가상 환경 속에서 중력과 같은 요소를 조절하여 환자 맞춤 재활 운동이 가능. 안드로이드 기반 플랫폼과 연동하여 환자의 재활 치료 준수에 대한 동기 유지 및 환자 관리에 용이.

ㅇ 스위스: EPFL, 피부에 부착할 수 있는 필름형 햅틱 액추에이터 개발(Advanced Functional Materials, 2020.10.7., Science Robotics, 2019.12.18.)

▪ 스위스 EPFL(로잔연방공대)의 허브트 쉐이(H. Shea) 교수 연구팀은 피부에 부착할 수 있는 수준의 얇은 인공근육을 이용하여, 피부에 진동감 등 촉각 신소를 전달할 수 있는 구동 모듈을 개발함. 매 우 낮은 전압으로 구동할 수 있도록 개발되었으며 투명 하고 얇은 특징 때문에 피부뿐 아니라 각종 디스플레이 등 다양한 곳에 적용할 수 있을 것으로 기대됨.

ㅇ 미국: 하버드대, 상호 정보전달이 가능한 웨어러블 햅틱 인터페이스 개발(Soft Robotics, 2020.8.3.)

▪ 하버드대학교 로버트우드(R. Wood) 교수팀은 유연성을 갖는 유전탄성체를 이용하여, 착용형 햅틱 인터페이스를 개발함. 피부와 매 우 부드러운 접촉이 가능하고 사용자에게 편안한 느낌을 제공하는 소트프 웨어러블 햅틱 인터페이스를 실현함. 회로, 구동기를 포함한 모든 부품을 웨어러블 기기에 내장함으로써 단독으로 작동이 가능한 Stand-alone 형태의 디바이스를 구현하였음.

ㅇ 홍콩: 홍콩과기대, 레이어 재밍과 알갱이 재밍을 결합한 하이브리드 가변강성 구조를 이용한 로봇 손 개발(Soft Robotics, 2020.6.2.)

▪ 레이어와 알갱이로 이루어진 파우치에 음압을 이용하여 강성 변화를 구현하는 레이어 재밍
(layer jamming), 알갱이 재밍(granular jamming)을 결합한 하이브리드 가변강성 구조를 개발하고, 이를 소프트 그리 퍼와 결합하는 연구를 수행함. 가변강성 구조는 간단한 음압 적용을 통해, 빠른 속도로 강성 변화가 가능하고, 개발된 레이어 재밍, 알갱이 재밍이 결합된 가변강성 구조를 추가해 선택적으로 강성을 조절하여 다양한 물체 형상에 맞추어 물체를 파지할 수 있음.

 

■ 기초연구사업 지원 현황은?

ㅇ 지원과제 현황

 

ㅇ 성과현황

 

■ 향후 기초연구사업에서 어떤 연구들이 필요한가?

 

■ 기초연구성과 응용 연계를 위한 향후 과제

▪ 개발한 기초 연구들을 통합한 소프트 웨어러블 시스템 연구 및 이를 가상현실, 증강현실 등에 적용하거나, 원격 조종 로봇 인터페이스로 활용하는 연구 등이 필요함.

▪ 인간이 편하고 쉽게 착용할 수 있으며, 주변 또는 가상 환경과 보다 다양한 감각을 주고받을 수 있는 하이브리드 웨어러블 시스템 개발을 위해서는, 소프트 센서, 구동기의 신뢰성 향상 연구, 대면적/다층 구조의 센서 연구, 센서 및 구동기의 구조는 물론 사용자의 신체 구조까지 고려한 웨어러블 구조의 설계 연구 등이 필요함.

▪ 로봇 착용으로 인한 2차적인 근골격계 질환이 발생하지 않도록, 각 신체 관절과 근육의 위치를 고려하여 착용자의 움직임을 방해하거나 제한하지 않도록 하는 보조 위치 분석에 대한 연구가 요구됨.

▪ 일상생활에서 착용형 로봇을 사용하기 위해서는 사용자의 의도를 파악하여 필요한 작업을 원활하게 수행할 수 있어야 함. 이를 위하여 착용자의 신체 변화를 사전에 감지할 수 있는 센서와 이를 빠르고 정확하게 분석하여 로봇을 제어할 수 있는 시스템에 대한 연구가 필요함.

▪ 인간 수준의 촉각을 구현하기 위해서는 로봇 또한 온도, 압력, 인장력 등을 구분할 수 있는 로봇피부가 필요하며 실제 인간 수준의 로봇피부를 제작하는 노력이 필요함.

▪ 융복합 에너지 신소재의 생물모방 에너지 및 센서 소재 기술과 융합하여 다양한 로봇용 감각 디바이스 개발

▪ 로봇을 위한 체성감각(Somatosensory)계를 구현하고, 이를 인간 로봇 상호작용 기술과 결합하여 사람과 같이 능수능란하게 작업할 수 있는 로봇 조작 기술 개발.