토드 쿠이켄: 감각을 "느끼는" 의수(義手)

자 오늘, 제가 하고 싶은 이야기는 바이오닉에 관한 것입니다. 바이오닉은 생체의 한 부분을 메카트로닉 장치 또는 로봇으로 교체하는 과학분야라고 통상적으로 알려져 있지요. 간단히 말씀드리면 이것은 인체의 활동을 기계로 대신하는 것이죠. 저는 오늘 여러분에게 팔이 절단된 사람들을 위해 생체공학이 요즘 어떻게 발달되고 있는가를 말씀드리겠습니다.

저희들이 이런 연구를 하는 이유는 다음과 같습니다. 팔이 절단되면 엄청난 장애를 초래합니다. 절단으로 인한 기능 상실은 명백하죠. 인간의 손은 훌륭한 기구입니다. 팔을 둘 다 잃는 것은 말할 것도 없고 팔을 하나만 잃어도 일생생활에서 필요한 일을 하기가 매우 힘듭니다. 또한 정서적 충격도 엄청납니다.. 저는 저희 병원에서 환자들의 육체적 장애의 치유 뿐만아니라 정서적 적응을 위해서 많은 시간을 보냅니다. 마지막으로, 팔을 잃으면 사회생활에도 엄청난 미치지요. 우리는 의사소통을 할때 손을 사용하고 인사할 때도 악수를 하고 또한 손을 통해서 물리적 세계와 상호작용합니다. 손을 잃으면 이런일을 할 수 없게 되지요. 팔을 잃게되는 이유는 주로 산업사고, 자동차 사고, 그리고 가슴아프게도 전쟁으로 인한 외상에 기인합니다. 그리고 선천적 사지결손이라고 팔다리가 없이 없이 태어난 사람들도 있지요.

그런데 불행히도 기존 의수의 기능은 매우 미흡합니다. 의수에는 주로 두가지의 유형이 있지요. 첫번째 타입은 신체의 동력을 사용해서 작동하는 의수인데 미국의 남북전쟁 직후에 발명된 후 1차 및 2차 세계 대전 시 개량되었지요. 이것은 1912년에 특허를 받은 의수(義手)의 도형이지요. 이 의수는 지금 제 환자들이 사용하는 것과 크게 다르지 않습니다. 이것은 어깨 근육을 사용해서 작동시킵니다. 어깨 근육에 힘을 주면 케이블을 잡아 당기지요. 그러면 인공손이나 갈고리를 열었디 폈다 하거나 팔꿈치를 구부리지요. 이런 의수가 아직도 널리 사용되는 이유는 그들이 비교적 간단하고 견고하기 때문이지요.

최첨단 상지 보조기는 근전전동의수라는 것입니다. 이것은 근육에서 나오는 미세한 전기로 제어하는 모터가 달린 장치들이죠. 우리가 근육을 움직이면 미세한 전기가 발생하는데 안테나 또는 전극으로 그것을 감지하면 모터가 달린 의지를 작동시킬 수 있지요. 이런 장치는 손만 잃은 사람들에게는 꽤 잘 작동하는데 그 이유는 팔에 손을 움직이는 근육이 남아있기 때문이죠. 손을 꽉 쥐면 여기 근육이 수축하고 손을 펴면 여기 근육이 수축하죠. 이는 직관적이고, 꽤 작동을 잘합니다.

그런데 더 윗쪽에서 팔이 절단되는 경우는 어떻게하죠? 팔꿈치 위에서 팔이 절단됐다고 가정해 보세요. 즉, 이런 근육뿐만 아니라 손과 팔꿈치도 잃은 경우를 말합니다. 그럴때는 어떻게 해야 할까요? 저희 환자들은 팔 꿈치 위에 있는 근육에서 나오는 신호를 사용해서 로봇팔을 작동시킵니다. 저희들은 로봇팔을 사용하지요. 현재 시중에는 이들을 포함한 여러 종류의 의수가 판매됩니다. 그런데 이런 의수는 손을 쥐고 펴고, 손목을 돌리거나 또는 팔을 굽히는 기능밖에 없지요. 다른 기능은 없습니다. 기능이 있다고 해도 운동명령을 내리는 방법이 없지요.

저희들의 시카고 재활연구소는 6개의 모터를 사용해서 팔목을 어느정도 굽힐 수 있고, 어깨관절의 움직임도 허용하는 6자유도의 상지의지를 개발해습니다. 저희들은 이러한 프로토 타입을 사용해서 미 육군의 지원하에 개발되고 있는 최첨단 상지의지 개발에 참여하기도 했는데 이들은 손 움직임을 포함해서 10자유도 기능을 가지고 있습니다. 그러나 결국 가장 중요한 것은 로봇팔에게 어떻게 명령을 내리냐는 것입니다. 어떻게 로봇팔을 제어하나요? 우리가 원하는 로봇팔은 우리의 신경계통 또는 두뇌와 직접 연결하거나 또는 어떤 신경 인터페이스를 통해 여러분이나 저처럼 직관적이고 자연스럽게 움직일 수 있는 것이죠.

우리가 뇌에서 내리는 운동명령은 척추를 따라 내려가다가 신경을 통해 운동조직으로 전달되지요. 그러나 감각은 전달 방향이 정반대지요. 우리가 우리의 몸을 만지면 그 촉감은 위와 똑같은 신경을 통해서 두뇌로 전달되지요. 팔을 잃어도, 이 신경 체계는 여전히 작동합니다. 그런 신경들은 운동명령 신호를 보낼 수 있지요. 그래서, 제가 2차대전에서 팔을 잃은 참전용사의 신경종말을 건드리면 그는 지금도 그의 없어진 손을 느낄 겁니다. 그렇다면, 뇌 또는 신경종말에 운동명령 신호를 주면 문제가 해결되는게 아니냐고 여러분이 말씀하실 지 모릅니다. 그런데 그것은 매우 흥미는 있지만 실지로 실행하기가 매우 힘든 연구분야입니다. 그렇게 하려면, 마이크로 볼트 단위의 전기로 작동하는 신경세포와 접속할 수 있게 수백개의 미세한 전선을 신경섬유로 연결해야 하니까요. 그런데 그런 기술을 환자들에게 사용하는 것은 너무 어렵습니다.

그래서 저희들은 신경세포 신호의 생물학적 증폭기라고 말할 수 있는 근육을 사용하는 방법을 개발했지요. 근육은 신경세포의 전기신호를 약 천배 정도 증폭시키기 때문에 전에 보신 것과 같이 피부 위에 전극을 부착시킬 수 있게 하는데 이런 방식을 "표적근육 신경재지배"라고 하지요. 팔 전체를 잃은 사람도 팔로 내려가는 4대 신경은 그대로 남아있지요. 저희들은 그런 신경을 떼어내서 적절한 가슴 근육안으로 자라게 하지요. 그러면 "손을 쥐는" 생각을 하면 가슴 근육의 어떤 부분이 수축하고, "팔꿈치를 굽혀라"고 생각하면 다른 부분이 수축하지요. 그러면 그런 부분의 근육에서 나오는 전기신호를 전극 또는 안테나로 포착해서 의수를 움직일 수 있지요. 그게 저희들의 계획이었죠.

이분은 저희들이 이런 방식을 처음으로 시도한 분입니다. 이분의 이름은 제시 설리번입니다. 이분은 성인군자처럼 성격이 착한 54세의 가선공인데 고압선을 잘못 건드려 두손이 심하게 타서 어깨에서 양쪽팔을 절단해야 했었지요. 저희 시카고 재활원은 제시씨를 위해 여기서 보시는 것과 같이 왼쪽은 최첨단 의수를 만들었고 오른쪽은 자전거 케이블 방식의 의수를 만들었지요. 그는 턱 스위치로 움직이고 싶은 관절을 선택하지요. 제시씨의 왼쪽 의수에는 모터가 달렸고 관절이 3개 있고 그는 어깨에 붙힌 작은 패드를 통해 의수의 움직임을 조절합니다. 제시씨는 의수를 조절하는데 소질이 있고 우리의 기준으로 볼때 성적이 좋습니다.

그는 마침 흉부 재수술을 기다리고 있어서 표적근육 신경재지배 수술을 동시에 실시할 수 있었습니다. 수술은 저의 동료인 그레그 두마니안씨가 했지요. 수술 절차는 팔로 가는 신경을 잘라내서 가슴 아래쪽으로 옮기고 수술 상처를 꿰메는 것이죠. 수술후 약 3개월 후 신경이 약간 자라고 근육이 경련하는 것도 볼 수 있었죠. 6개월 후에는 신경이 많이 자랐고 근육이 강하게 수축할 수 있었어요. 이것은 수술한 부위를 찍은 비디오입니다. 그가 손을 펴고 쥐거나 또는 팔꿈치를 구부리거나 펴는 생각을 하면 이렇게 근육이 움직이지요. 우리는 그의 가슴이 움직이는 것을 볼 수 있는데 작은 해시로 표시된 부분은 안테나 또는 전극을 붙이는 곳입니다. 여러분들은 아마도 가슴 근육을 이렇게 움직이지 못하실 겁니다. 그의 두뇌는 지금 자신의 팔을 생각하고 있지요. 그는 가슴 근육을 이렇게 움직이는 것을 배우지 않았지요. 의수를 사용하는 방법을 배우는 과정은 없지요. 그래서 직관적이라는 것이죠.

이것은 저희들이 제시와 처음으로 실시한 짧은 실험입니다. 왼쪽 사진은 제시씨가 턱으로 스위치를 눌러서 나무조각을 한 상자에서 다른 상자로 움직이는 것을 보여줍니다. 제시씨는 그 팔을 약 20개월 사용했기 때문에 능숙하죠. 오른쪽 비디오는 표적근육 신경재지배 수술을 한 2개월 후를 보여주는데 여기서 보는 의수는 프로그램만 약간 다르게 됐을뿐이지 왼쪽과 똑 같은 의수인데 나무조각을 움직이는 속도도 훨씬 더 빠르고 움직임도 훨씬 더 부드러운것을 볼 수 있습니다. 우리는 이 테스트에서 3개의 전기 신호만 사용할 수 있었습니다.

그런데 우리는 놀라운 사실을 하나 발견하게 됐지요. 저희들은 모두 로봇팔을 조절하는 구동 신호를 향상하려고 노력했죠 그러던 몇달 후 저희들은 어떤것이 제시씨의 가슴을 누르면 그가 없어진 손을 느끼기 시작했어요. 그의 신경이 가슴속으로 자라면서 손 감각이 돌아온 것인데 그건 아마 수술을 할 때 지방을 너무 많이 잘라내서 피부가 근육에 너무 가까이 붙어서 말하자면 신경자극이 전달되지 못한 이유일지 모릅니다. 그래서, 여기를 누르면 엄지손가락을 느끼고 여기를 누르면 새끼 손가락을 느낍니다. 그는 1그램 정도의 가벼운 힘으로 누르는 것 까지 느낄 수 있습니다. 그는 그의 없어진 손, 아니 그의 가슴에서 뜨거움, 차가움, 뾰족함 그리고 무딤을 느낄 수 있지만 그는 의수는 그런 감각을 못느끼지요. 이런 사실은 이제 우리가 감각의 관문을 찾았다는 의미에서 매우 흥미진진하죠. 이것은 제시씨가 그의 의수로 만지는 물건에 대한 감각을 느낄 수 있는 관문이 있을 가능성을 제시해 줍니다. 의수에 달린 센서의 신호가 가슴에 와서 닿는다고 상상해 보세요. 이건 매우 흥미진진한 일이죠.

그래서 우리는 애당초의 주목표였던 팔꿈치 위가 절단된 사람들을 위해 일하기 시작했지요. 여기서 우리는 근육의 작은 부분의 신경을 짤라내서 위-아래 신호로 사용하고 나머지는 그대로 둡니다. 그리고 다른 2개는 손을 쥐고 펴는데 사용하죠. 이 분은 우리의 첫 환자들의 하나인 크리스입니다. 왼편은 그가 오리지날 의지를 8개월 동안 사용한 후이고 오른편은 2개월 후 입니다. 간단한 이 테스트로 보면 오른편이 약 4-5배 더 빠르지요.

좋습니다. 제 직업의 가장 큰 혜택의 하나는 훌륭한 환자이자 연구 협력자인 사람들과 함께 일한다는 것입니다. 저는 오늘 우리가 아만타 킷츠를 모시고 함께 할 수 있어서 기쁩니다. 아만다 킷츠를 박수로 맞이해 주세요.

(박수)

아만다씨, 어떻게 팔을 잃게 되었는지 말해줄 수 있나요?

AK: 물론이죠. 2006년에 교통사고를 당했어요. 저는 퇴근하고 집으로 운전하고 있었는데, 반대쪽 차선을 달리던 트럭 한대가 저의 차선으로 넘어 들어와, 제 차의 위로 넘어가면서 차축이 제 팔을 절단시켰어요.

TK: 그리고 팔이 절단된 후 상처가 아물었지요. 그리고는 재래식 의수를 사용하셨죠. 그것이 잘 작동했나요?

AK: 음, 이두박근과 삼두박근만 쓸 수 있어서 좀 힘들었어요. 그래서, 물건 집어 올리는것 같은 간단한 일을 할때 팔꿈치를 구부린 후, 작동 모드를 바꾸기 위해 두가지 신호를 동시에 보내야 했어요. 그렇게 할 때면, 손을 쥐려면 이두박근을 사용해야 했고, 손을 펼라면 삼두박근을 사용해야 했고, 팔꿈치를 다시 움직이려면 두가지 신호를 또 동시에 보내야 했지요.

TK: 속도가 좀 느렸나요?

AK: 좀 느렸고 작동하는 방법이 너무 힘들었어요.. 전적으로 집중을 해야 했으니까요.

TK: 오케이. 표적근육 신경재지배 수술을 한 후 모든 신경이 다 제대로 작동할 때 까지 6개월이 또 걸렸지요. 그리고는 우리가 아만다에게 의수를 줬지요. 그것이 잘 작동했나요?

AK: 잘 작동했어요. 저는 팔꿈치와 손을 동시에 사용할 수 있었어요. 생각만 해서 의수를 움직일 수 있으니까요. 그래서 두가지 신호를 동시에 보내고 그럴 필요가 없었어요.

TK: 속도가 약간 빨랐나요?

AK: 약간 빨랐죠. 그리고 훨씬 쉽고, 훨씬 자연스러웠어요.

TK: 좋습니다. 제 목표는 다음과 같았습니다. 지난 20년 동안 저의 소원은 팔꿈치와 손을 직관적으로 동시에 움직이는 것이었지요. 현재 전세계에 걸쳐 50명 이상의 환자가 저희들로 부터 이런 수술을 받았는데 이 숫자에는 12명 이상의 미국 상이용사도 포함됩니다. 신경이식 수술의 성공률은 매우 높습니다. 96 퍼센트 수준이죠. 근육의 작은 부위에 신경섬유를 많이 이식하고 그것을 직관적으로 제어할 수 있으니까요. 우리가 실시한 간단한 기능시험의 결과는 이 방법이 훨씬 더 빠르고 쉽다는 것을 보여줍니다. 또 가장 중요한 것은 우리 환자들이 좋아한다는 것이죠.

그래서 우리는 매우 기뻣습니다. 그러나 우리는 더 잘하고 싶습니다. 신경 신호에는 많은 정보가 있는데 저희들은 그걸 더 활용하고 싶었어요. 우리는 각 손가락 그리고 손목을 움직일 수 있죠. 의수로 그런게 가능할까요? 그래서 우리는 미안하게도 우리 환자들의 몸에 전극을 잔뜩부치고 20여 가지 다른 임무를 수행하는 실험을 했지요 - 손가락 움지기, 팔 전체 움직이기, 손을 들어서 어떤 물건을 잡는것 등, 그리고는 그 결과를 기록했지요. 그리고 우리는 음성 인식 알고리즘과 매우 유사한 패턴 인식 알고리즘을 몇개 사용했지요. 보셨죠?

(웃음)

이것은 제시씨가 3가지 다른일을 하려고 할 때 그의 가슴에 3가지 패턴이 나타나는 것을 보여줍니다. 그러나 저는, 거기에 전극을 꽂고 "이걸 해라"고 의수에게 명령 할 수 없죠. 그래서 저는 뉴 브런스윅 대학교의 저희 동료들과 함께 제어 알고리즘을 고안했는데 지금 아만다가 그 결과를 보여드리겠습니다.

AK: 저는 팔꿈치를 굽혔다 폈다 할 수 있고 손목을 돌리고 - 완전히 한 바퀴 돌릴수도 있지요. 그리고 손목을 굽혔다 폈다 할 수 있고 손을 오무렸다 폈다 할 수도 있습니다.

TK: 아만다씨 고맙습니다.. 이것은 연구용 의수인데 여기의 아래 부분은 시판되는 부품이나 또는 세계 각지에서 빌린 것으로 만들었습니다. 이 의수의 무게는 3kg이 약간 넘는데 만약에 제팔을 여기쯤에서 짤른다면 그정도 무게가 되겠지요. 이건 물론 아만다씨에게는 좀 무겁지요. 그런데 자연적으로 부착된게 아니니까 더 무겁게 느껴지죠. 아만다는 어깨 벨트로 의수를 지탱합니다.

그런데 흥미로운 부분은 메카트로닉스 보다는 제어 쪽입니다. 그래서 우리는 소형 마이크로 컴퓨터를 개발했는데 아만다의 등 뒤에서 반짝이는게 그겁니다. 아만다는 그녀의 가슴 근육에서 나오는 신호를 어떻게 사용할 것인지를 컴퓨터에게 가르켜 주지요. 아만다씨가 처음에 이 팔을 쓰기시작했을 때 컴퓨터가 사용법을 배우는데 얼마나 걸렸나요?

AK: 콤퓨터를 가르키는데 3~4시간 정도 걸렸던 것 같아요. 그리고 컴퓨터에 연결해야 했기 때문에 아무데서나 훈련시킬 수는 없었어요. 그래서 의수가 말을 안들으면 의수를 떼야 했어요. 지금은 이 작은 장비로 의수를 훈련시킬 수 있고 등뒤에 항상 메고 다닐 수 있지요. 어쩌다가 의수가 말을 안들으면 다시 훈련시킬 수 있어요. 1분 정도 걸리죠.

TK: 이건 임상적으로 실용적인 의수에 가깝기 때문에 매우 흥미진진 합니다. 임상적으로 실용적인 의수를 만드는 것이 바로 우리의 긍국적인 목표니까요. 저희들은 또한 아만다씨가 앞서 보여드렸던 우리의 최신형 의수를 시도해 보게 했죠. 이것은 DEKA 연구 회사가 만든 의수를 아만다가 사용하는 겁니다. 이건 몇년 전에 디인 케이먼씨가 TED에 소개한 것으로 알고 있습니다.™ 보시는 바와같이, 아만다는 이 의수를 잘 사용하고 있습니다. 이게 전부 패턴인식 덕분이죠. 이 의수는 여러가지 방식으로 물건을 잡을 수 있죠. 우리는 각 환자들이 완전히 개방적인 마음으로 "그들이 원하는 움켜쥠 기능"을 결정하라고 권고하죠. 그리고는 그들의 의수가 5 - 6개의 각각 다른 움켜쥐는 동작을 할 수 있게 만들죠. 아만다씨, DEKA 팔로 몇 가지 움켜쥐는 동작을 할 수 있었죠?

AK: 4 가지를 할 수 있었어요. 열쇠 쥐기, 물림쇠 쥐기(손가락 5개 전부 사용) , 세게 움켜쥐기와 미세하게 집기를 할 수 있었어요. 그러나 제가 가장 좋아하는 것은 손을 펼수 있었던 것이예요. 왜냐하면 저는 어린애들과 일을 하기 때문에, 항상 박수치며 노래하는데 제가 다시 그런걸 할 수 있어서 정말 기뻐요.

TK: 그 손은 박수치기에는 별로 인데요.

AK: 녜, 이걸로 박수는 못쳐요.

TK: 좋아요. 우리가 보다 낳은 매카트로닉스로 그런 기능을 가진 의수를 만들어서 시장에 내놓고 상용시험을 할 수 있게 되면 무척 좋겠어요. 이걸 잘 지켜 보세요.

(영상) 클라우디아: 우와!

TK: 이 분은 클라우디아인데. 그녀의 의수를 통해 처음으로 감각을 느끼는 장면입니다. 의수의 손가락 끝에 작은 센서가 달려있는데 사포, 알갱이들, 리본 케이블 등의 여러 표면을 문지르면 재신경지배된 가슴에 있는 피부 표면이 눌리며 자극이 전달되지요. 그녀는 의수로 테이블위를 쭉 문질르면 손가락이 흔들리는 것처럼 느껴진다고 말했어요. 이것은 피부 감각의 일부를 전달할 수 있는 가능성을 시사하는 아주 신나는 시험결과였어요.

이 비디오는 우리가 앞으로 도전할 몇가지 과제를 보여줍니다. 제시가 지금 발포고무 장난감을 손으로 잡고 있죠. 제시가 그것을 세게 쥐면 쥘수록 그 힘에 비례해서 화면의 중간에 있는 까만 것들이 피부를 더 세게 누르지요. 그런데 그 주변은 전극으로 꽉 찼지요. 더 이상 전극을 붙일 공간이 없지요. 그리고 이런것을 더 많이 붙여야 할텐데 소형 모터들은 전극 옆에서 시끄럽게 야단입니다. 우리가 앞으로 해결할 문제들은 이런것들입니다.

미래는 밝습니다. 우리가 지금까지 성취한 일과 앞으로 할일을 생각하면 신이 납니다. 앞으로 해결할 문제의 하나는 전극을 붙일 장소가 모자라는 것과 신호의 질을 향상시키는 거죠. 우리는 리조또 조각 정도의 소형 캡슐들을 개발해서 근육안에 넣어서 전극의 접촉 문제를 걱정할 필요없이 근전도 신호를 원격측정할 수 있게 하는 것입니다. 그러면 감각 피드백을 전달하는 전극을 많이 달 수 있겠지요. 우리는 더 좋은 의수를 만들고 싶습니다. 의수는 항상 50%의 남성을 위해 제작되기 때문에 전 세계 인구의 5/8에게는 너무 큽니다. 그래서 우리는 매우 힘이 세거나 또는 동작속도가 매우 빠른 팔보다는 75%의 여성들이 사용할 수 있고 손가락들을 완전히 오므리거나 또는 완전히 펼 수 있고 손목과 팔꿈치에서 2 자유도를 가진 의수를 만들고 있습니다. 그러면 그것은 역사상 가장 작고, 가볍고 똑똑한 의수가 될 것입니다. 일단 작은 의수를 만들 수 있으면 큰것을 만드는 것은 훨씬 더 쉽지요.

이것은 우리 목표의 일부에 지나지 않습니다. 저희들은 오늘 이자리를 함께해 주신 여러분께서 감사드립니다. 어제 아만다가 어떤 어려움을 겪었는지 말씀드리지요. 아만다가 시차증을 느끼고 있는데 팔을 쓸려고 하니까 완전히 말을 안듣는 거예요. 아마 컴퓨터 귀신이 나타났거나, 전선이 끊어졌거나, 변환기가 타버렸다고 생각했죠. 우리는 호텔방에서 전기회로를 모두 빼놓고 병의별 것을 다 시도해 봤지요. 저는 이런 문제는 손 도 못대지만 제게는 날고 뛰는 연구 팀이 있지요. 다행히도 저희와 같이 있던 애니 시몬 박사가 어제 열심히 수리해 주셨지요. 그게 과학입니다. 그리고 다행히도, 오늘은 잘 작동합니다.

매우 감사합니다.

(박수)