생체 공학적 손을 향한 진전을 제공하는 인공 피부

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KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-10-21
여러 연구자가 미 국방부(U.S. Department of Defense)의 자금을 지원받아 착용자에게 통제감과 촉감을 제공하는 것처럼 좀 더 인간의 손과 같은 의수를 개발하기 위하여 나아가고 있다. 이번에 미국 스탠퍼드 대(Stanford University)의 연구자들이 개발한 플라스틱과 탄소 나노튜브로 만든 새로운 센서는 의수에 촉감을 부여할 수 있는 인공 피부를 제공할 수 있을 것으로 기대된다. 미국에서 팔이 절단된 사람은 1백만 명 이상이다. 이번에 개발된 새로운 센서 기술은 보철 장치를 진정한 대체 부품으로 변화시킬 것을 약속한다. 스탠퍼드 대 연구자들은 평평하고 유연한 재료의 형태를 가지는 새로운 형태의 압력 센서를 발표하였다. 이처럼 평평하고 유연한 재료는 결과적으로 보철 장치 위에 사용되는 인공 피부로 기능할 수 있어 착용자가 물체를 조작하는 것뿐만 아니라 그 물체를 느낄 수 있게 만들 것이다. 스탠퍼드 대의 압력 센서는 어느 정도의 촉감을 결정할 수 있도록 뇌가 해석할 수 있는 펄스를 보낸다. 이것은 생물학 시스템을 직접 모사한 것이라고 스탠퍼드 대 연구팀의 책임자인 제난 바오(Zhenan Bao)가 전했다. 인공 피부는 압축성을 가지도록 와플 패턴으로 인쇄된 플라스틱으로 만들어졌다. 내부에는 도전성을 가지는 순수한 탄소의 튜브형 구조인 탄소 나노튜브가 내장되어 있다. 이 재료를 쥐어짜면 막대들이 더 근접하게 되어 압력이 증가함에 따라 더 빠른 펄스를 만든다. 제난 바오와 동료 연구자들은 미국의 전문과학잡지인 사이언스(Science)의 2015년 10월 16일 판에 압력에서의 단계적 변화를 포착할 수 있는 센서를 발표하였다. 이러한 압력의 단계적 변화를 감지하는 능력은 굳은 악수와 축 처진 악수 사이의 차이점을 구별할 수 있다. 이것은 단지 접촉의 한 가지 요소에 불과하며, 인간에 대한 시험은 아직 이루어지지 않았다. 대신에 제난 바오와 동료 연구자들은 이 센서가 뉴런과 통신하게 만들 수 있다는 것을 보여주기 위하여 생체 외에 위치한 쥐의 뇌 조각으로 신호를 보냈다. 그럼에도 불구하고 이것은 보철 장치를 좀 더 실제적인 것으로 만들려는 목표를 실천하는 과정에서 유망한 단계이다. “만약 의수 착용자가 느낄 수 없다면 이러한 의수로 많은 일을 하는 것은 불가능하다”고 미국 시카고 대(University of Chicago)에서 인공 보철 장치에 대하여 연구하고 있는 전산 신경과학자이자 생물학자인 슬리만 벤스마이아(Sliman Bensmaia)가 말했다. 촉감은 놀랍게도 복잡한 감각이어서 재현하는 것이 어렵다고 슬리만 벤스마이아가 전했다. 촉감이 없으면 우리는 새틴(satin, 광택이 곱고 보드라운 견직물)과 비단을 구별할 수 없을 뿐만 아니라, 값싼 비단과 좋은 비단을 식별할 수 없다. 이러한 구별은 우리의 피부가 수십 나노미터 정도까지의 미세한 질감을 탐지할 수 있어서 가능하다. 결과적으로 연구자들은 인공 센서로부터의 정보를 과거 절단된 손에 연결되었던 말초 신경에 전달할 수 있게 되기를 희망하고 있다. 이미 연구자들은 착용자가 의수를 쥐고 펼 수 있는 능력을 제공하기 위한 인터페이스를 만들었다. 연구자들의 다음 단계는 이러한 인터페이스를 미세 조정하여 각각의 의수 손가락을 개별적으로 움직일 수 있도록 만드는 것이다. 이러한 의수 손가락의 개별적 제어는 전기적 펄스가 양방향으로 이동할 것을 요구할 것이다. 즉, 보철 장치를 이동시키기 위한 착용자의 근육 및 신경으로부터의 신호와, 착용자에게 자연스러운 피드백을 제공하는 센서 신호가 양방향으로 이동해야 한다. 이것은 센서가 신경 시스템의 언어로 말하도록 시도하는 것으로 부분적으로 번역하는 작업이라고 미국 케이스웨스턴리저브 대(Case Western Reserve University)의 의용 생체 공학 교수인 더스틴 타일러(Dustin Tyler)가 말했다. 이러한 작업에서 도전과제는 보철 장치와 환자 사이에 언어가 복잡한 상태 그대로 전송되도록 하는 인터페이스를 만드는 것이다. “우리는 자연스러운 촉감을 느끼도록 재현할 정도의 수준에 도달하지 못했다. 그러나 우리는 유용한 촉감을 전달할 수 있는 지점에 있다”고 슬리만 벤스마이아가 말했다. [관련 논문의 서지 정보] B. C.-K. Tee and A. Chortos and A. Berndt, A. K. Nguyen, A. Tom, A. McGuire, Z. C. Lin, K. Tien, W.-G. Bae, H. Wang, P. Mei, H.-H. Chou, B. Cui, K. Deisseroth, T. N. Ng, Z. Bao, "A skin-inspired organic digital mechanoreceptor", Science, Vol. 350, pp. 313-316, 2015. DOI: 10.1126/science.aaa9306 2015-10-17-Aiskin1.jpg sensor1.JPEG sensor3.JPEG http://www.technologyreview.com/news/542421/artificial-skinartificial-skin-provides-a-step-toward-bionic-hands/