옷감처럼 가벼운 근육옷감으로 팔꿈치·어깨·허리 3관절 동시 보조 웨어러블 로봇 최초 구현
근육 약화 환자용 초경량 어깨 보조 로봇, 임상시험에서 어깨 움직임 57% 이상 개선

머리카락보다 가는 형상기억합금 코일실을 직조해 옷감처럼 가볍고 유연한 근육옷감을 자동으로 연속 대량생산할 수 있는 장비가 개발돼 의복형 웨어러블 로봇 상용화에 한 걸음 더 다가섰다.

한국기계연구원(원장 류석현) AI로봇연구소 첨단로봇연구센터 박철훈 책임연구원 연구팀은 가볍고 강력한 인공근육 구동기 ‘근육옷감’을 연속 대량생산할 수 있는 자동직조장비를 개발했다.

기계연구원에서 개발한 근육옷감 자동직조장비는 머리카락 1/4 수준 굵기인 직경 25㎛의 형상기억합금 와이어를 코일 형태로 가공한 실을 이용해 근육옷감을 연속으로 만드는 기술이다. 근육옷감은 10g의 무게로 10~15㎏을 들어올릴 수 있어 의복형 웨어러블 로봇의 핵심 구동기로 활용된다. 기존 형상기억합금 코일실은 금속으로 된 중심 실(심선)을 사용했기 때문에 실을 당겼을 때 늘어나는 비율(연신율)이 낮아 자동 직조기로 근육옷감을 짜는 것이 어려웠다.

이 문제를 해결하기 위해 금속 대신 천연사를 중심 실로 사용하고 근육옷감의 구조와 제작 공정을 새롭게 개발했으며 직조기의 구조도 개선했다. 이를 통해 근육옷감을 연속으로 대량생산 할 수 있게 됐다.

기존 웨어러블 로봇은 무겁고 소음이 큰 모터나 공압 구동기를 적용해 팔꿈치·어깨·허리 관절을 모두 보조하기에는 장치가 지나치게 커지고 무거워, 실제로는 일부 관절만 제한적으로 보조하는 수준에 머물렀으며 가격·무게·소음·착용 불편 문제로 대중화가 쉽지 않았다. 특히 어깨 관절은 움직임이 복잡해 능동 보조가 더욱 어려웠다.

반면, 기계연구원에서 개발한 근육옷감 구동기는 가볍고 유연해 팔꿈치·어깨·허리처럼 움직임이 다르고 복잡한 관절에도 자연스럽게 순응하며 능동 보조를 구현할 수 있다. 기계연구원 연구팀은 근육옷감을 적용해 세계 최초로 팔꿈치·어깨·허리 3관절을 동시에 보조하는 2kg 미만의 경량 의복형 웨어러블 로봇을 개발해 근육 사용량을 40% 이상 감소시켰다.

또한 세계 최고 수준인 840g 무게의 초경량 어깨 보조 로봇을 구현해 근육 약화 환자도 일상에서 부담 없이 착용하고 휴대할 수 있도록 했다. 연구팀이 듀센 근이영양증 등 근육 약화 환자를 대상으로 서울대학교병원에서 초경량 어깨 보조 로봇 임상실험을 시행한 결과 어깨 움직임 범위가 57% 이상 개선됐다.

이 같은 근육옷감을 자동직조기를 통해 안정적이고 균일한 품질로 지속적으로 생산할 수 있게 됨으로써 연구팀은 의복형 웨어러블 로봇 상용화를 위한 기반을 다졌다.

이번 성과는 근로자의 체감 노동 강도를 낮추고 환자의 삶의 질을 높이며 웨어러블 로봇의 대중화와 산업 경쟁력 강화를 앞당기는 전환점이 될 것으로 기대된다. 특히 근육 약화 환자의 운동 능력 회복과 일상 동작 보조에 활용되는 어깨 보조 로봇은 환자에 대한 돌봄 부담을 줄이고, 환자가 스스로 생활할 수 있는 독립성을 높여 삶의 질과 자존감 향상으로 이어질 수 있다는 점에서 의의가 있다.

기계연구원 첨단로봇연구센터 박철훈 책임연구원은 “의복형 웨어러블 로봇의 핵심 기술인 근육옷감의 대량생산 기술 개발을 통해 의료, 물류, 건설 등 다양한 현장에서 국민 삶의 질을 높이게 될 것으로 기대한다”며 “지금까지 기계연구원에서 축적해 온 다양한 웨어러블 로봇 기술을 하루빨리 상용화해 웨어러블 로봇시장을 선도할 수 있도록 최선을 다하겠다”고 밝혔다.