보 건 산 업 브 리 프 Vol. www.khidi.or.kr, www.khiss.go.kr 249 Global Insight 글 로 벌 인 사 이 트 보건산업 4차 산업혁명 시리즈: 헬스케어 분야에서의 로봇 활용과 전망 산업통계팀 김수범 Contents 요약 발행일_ 2017. 11. 30 발행처_ 한국보건산업진흥원 발행인_ 이영찬 Ⅰ. 개요 Ⅱ. 주요 분야 및 활용사례 Ⅲ. 시사점: 안전성과 접근성의 문제 1
보건산업브리프 요약 헬스케어영역에서최첨단로봇기술을의료및재활복지서비스향상에기여할수있도록접목하고응용하는것이중요한과제로대두 - 세계적인인구고령화와전문의료인력의부족현상심화에따라헬스케어시스템에서로봇이차지하는비중이점점더커질전망 - 수술로봇, 병원로봇, 재활로봇을포함하는보건의료로봇시장의규모는 2016년 17억불에서 2021년까지연평균 9.7% 의성장률을기록할전망 - 시장조사업체 Tractica는이기간중외골격로봇과보철장비등재활로봇부문이시장을꾸준히잠식할것으로예상 재활및요양로봇은일반적으로 치료용로봇 (therapy robots) 과 일상보조용로봇 (assistance robots) 으로구분 - 치료용로봇 은상지및하지의운동요법, 자폐아동을위한의사소통교육, 뇌성마비또는기타발달장애아동을위한탐구활동등에활용 - 일상보조용로봇 은주로일상생활의원활한수행을위한 작업 (manipulation) 이동성 (mobility) 인지 (cognition) 에초점을맞춰사용자를지원 - 보철및 FNS 분야는재활로봇과밀접하게연관및융합되어가고있는추세 - 헬스케어서비스의영역이 ICT와결합한스마트헬스케어로확대되면서, 모바일및인공지능기술등과결합한재활및요양지원로봇이첨단헬스케어의도구로서적극개발 활용될전망 ( 물리치료및훈련용로봇 ) 신경손상극복을위한재활과정에소요되는노동력과비용을절감하기위한대안으로로봇기술에주목 - 사용자별로최적화된신경재활운동의수준을설정하고실행하기위한로봇과사용자의협업시스템구축이중요한도전과제 - MIT-MANUS를비롯해사지운동을통한재활을지원하는로봇시스템이지속적으로개발및개량되고있는추세 ( 장애보조용로봇 ) 로봇기술을활용해장애인이기능적독립성을확보하고일상생활에원활하게적응하며삶의질을높일수있도록지원 - 장애지원을통해일상생활을보조하기위한로봇기술의가장큰도전과제는개인화된기능을제공하는동시에경제성있는대량생산시스템의적용가능성을찾는것이중요한도전과제 - 장애보조용로봇은 작업보조용로봇 이동보조용로봇 인지보조용로봇등 3개유형으로구분되며각분야에서새로운개발및상용화사례가이어지는추세 ( 스마트보철장치및보조기 ) 신체의일부를대체할인공보철장치의감각-운동인터페이스향상이빠르게이루어지는가운데, 인체의팔다리만큼우수한기능과내구성을갖춘보조기의개발이진행 - 자연적상태에최대한가까운기능과디자인, 저렴한비용을구현하는것이중요한도전과제 - 표적근육신경재식수술, 뇌-기계인터페이스 (BMI), 임베디드인텔리전스등의기술발전및융합을통해더효율적이고안전하며기능이강화된제품들을개발 재활및요양분야로봇기술의안전성과접근성확보를위한노력이다방면에서더욱강화될것으로기대 2
Global Insight Ⅰ 개요 1. 헬스케어와로봇 ( 개요 ) 헬스케어영역에서최첨단로봇기술을의료및재활복지서비스향상에기여할수있도록접목하고응용하는것이중요한과제로대두 - 로봇을통하여간병, 진단, 재활의전주기적헬스케어서비스를지원하는것으로서, 환자및노약자와이들을 치료 간호 간병하는인력을위한로봇및시스템을포함 - 세계적인인구고령화와전문의료인력의부족현상심화에따라헬스케어시스템에서로봇이차지하는비중이 점점더커질전망 1) - 헬스케어서비스제공자의입장에서는로봇을활용할경우특히 돌봄비용절감 단순반복적작업에대한 인적자원투입경감 의료현장에서작업의정밀성향상및치료와재활활동강화등의이점을기대 - 헬스케어서비스수요자의입장에서는시간과장소에구애받지않고 환자및고령자돌봄을위한의료복지 서비스 장애및질병극복을위한재활지원혜택을기대 - 헬스케어분야의로봇은 수술로봇 (surgical robots) 병원로봇 (hospital robots) 재활 로봇 (rehabilitation robots) 으로구분 세부적으로는 수술지원로봇 병원물류로봇 소독로봇 간호로봇 재활에사용되는외골격로봇 로봇인공관절및 기타다양한형태의로봇유형을포함 전세계에서이미수백개의회사가의료로봇시장의다양한측면에서활발히활동하며, 좀더광범위한응용을 위해전문화된최첨단로봇장치를개발 ( 시장규모 ) 로봇의유용성에주목한보건의료분야에서로봇도입이확대되면서세계적으로헬스케어로봇시장도성장세를이어갈전망 - 시장조사업체 Tractica 에따르면, 보건의료용로봇출하량은 2016 년약 3,400 대에서 2021 년까지누적대수가 3 만 8,400 대를넘어설전망 지역별로는북미지역이시장을주도하는가운데, 2021 년까지아시아태평양지역의비중이꾸준히증가할 것으로기대 - 수술로봇, 병원로봇, 재활로봇을포함하는보건의료로봇시장의규모는 2016 년 17 억불에서 2021 년까지 연평균 9.7% 의성장률을기록하며 28 억불로성장할전망 - 현재는보건의료로봇중수술용로봇분야의규모가가장크고 2016-2021 년까지출하량부문에서도선두를 유지할전망이지만, Tractica 는이기간중외골격로봇과보철장비등재활로봇부문이시장을꾸준히잠식할 것으로예상 1) https://www.fractovia.org/news/industry-research-report/healthcare-assistive-robot-market 3
보건산업브리프 단위 : 1,000 대 12 10 8 북아메리카유럽아시아태평양라틴아메리카중동및아프리카 6 4 2 0 2016 2017 2018 2019 2020 2021 자료 : Tractica (2016.4Q) < 그림 1> 보건의료용로봇의지역별출하량증가전망 (2016-2021) 2. 재활및요양을위한로봇의활용 ( 개요 ) 헬스케어로봇분야중특히재활및요양을위한로봇영역은환자의장애치료와더불어일상적인생활을지원하는역할을담당 - 재활및요양을위한로봇분야는 신체적, 사회적, 인지적기능과의사소통능력을회복하기위한치료를 제공하거나 만성장애가있는사람이일상생활을수행할수있도록지원하는로봇시스템을의미 2) 재활로봇은반복적인운동및인지훈련세트를제공하고측정가능한피드백을제공하여장애를극복할수 있도록설계 일상생활을위한기본적인수행능력인 ADLs 의수준을확보하여불편을최소화 - 재활및요양을위한로봇시장은인구고령화, 뇌졸중등신경장애와만성질환의증가, 로봇기술의발전등을 배경으로성장이기대되는분야 시장조사업체 Global Market Insights 에따르면, 재활및요양을위한로봇시장규모는 2015 년 2 억불을 기록한후 2016-2024 년연평균 18.9% 의성장률을이어갈것으로전망 3) - 재활로봇이포함된재활보조기술산업의육성, 관련일자리창출, 장애인및노약자의삶의질향상등에기여할 것으로기대 ( 유형 ) 재활및요양로봇은일반적으로 치료용로봇 (therapy robots) 과 일상보조용로봇 (assistance robots) 으로구분 - 치료용로봇 은상지및하지의운동요법, 자폐아동을위한의사소통교육, 뇌성마비또는기타발달장애 아동을위한탐구활동등에활용 2) Van der Loos H.M., Reinkensmeyer D.J., Guglielmelli E. (2016) Rehabilitation and Health Care Robotics. In: Siciliano B., Khatib O. (eds) Springer Handbook of Robotics. Springer, Cham 3) 이러한수치는소비자영역에서다양한형태로활용되는헬스케어로봇분야가포함되지않은것으로서, 가정용소셜로봇등을포함할경우실제시장규모는더욱커질수있음 4
Global Insight 의료현장에서는치료를받는환자 / 장애인외에도로봇과의상호작용을설정하고돕는치료사 (therapist) 가치료용로봇의사용자가되기도하지만, 치료용로봇이물리치료사또는작업치료사를대체하는것도가능 4) - 일상보조용로봇 은주로일상생활의원활한수행을위한 작업 (manipulation) 이동성 (mobility) 인지 (cognition) 에초점을맞춰사용자를지원 작업 을위한보조장치는 고정플랫폼 휴대용플랫폼 모바일자율유형으로분류되며, 특히모바일자율로봇은가정또는직장에서기기등의조작및기타심부름을수행하기위해음성또는다른수단으로제어가가능 이동성 이강조된보조장치는내비게이션시스템이장착된전동휠체어와이동용로봇으로구분되어안정적인이동권확보및낙상방지에활용 인지 보조는치매, 자폐증또는의사소통및신체건강에영향을미치는기타장애가있는사람들을돕는역할을강조 < 표 1> 재활및요양로봇의유형 유형 치료용로봇 (therapy robots) 일상보조용로봇 (assistance robots) 기능 상지및하지의운동요법 자폐아동을위한의사소통교육 뇌성마비또는기타발달장애인을위한치료지원 작업 을위한보조장치 이동성 이강조된보조장치 인지 능력개선을위한로봇 자료 : Springer Handbook of Robotics (2016) ( 연관분야 ) 보철및 FNS 분야는재활로봇과밀접하게연관및융합되어가고있는추세 - 보철은인공손, 팔, 다리및절단된팔다리를교체하기위해착용하는장치로서, 자동화를기반으로한첨단로봇 기능을통합하고있는추세 - FNS 시스템은마비증세를앓고있는이들에게전기적으로신경과근육을자극함으로써, 사지를다시움직일수 있도록지원 FNS 제어시스템은제어되는액추에이터가인간의근육이라는점을제외하면여타로봇제어시스템과유사 ( 전망 ) 헬스케어서비스의영역이 ICT 와결합한스마트헬스케어로확대되면서, 모바일및인공지능기술등과결합한재활및요양지원로봇이첨단헬스케어의도구로서적극개발 활용될전망 - 첨단로봇기술과결합한생활및이동지원기기기술및신체기능복원기기기술등의고도화기대 - 기존의의료용보조기기에준하는로봇의수준을넘어인공지능이탑재된로봇들은간단한대화까지가능하다는 점에서신체적관리뿐만아니라정서적활용범위도확대될전망 - 국제보건기구 (WHO) 의국제협력사업 GATE(Global Cooperation on Assistive Health Technology) 등에 의해로봇기기를포함한 AHT(Assistive Health Technology) 부문의첨단화에대한관심지속 4) 일단로봇시스템에대한셋팅이완료되고올바르게설정되면, 인간치료사와는달리지치는일없이오랜시간동안지속적으로치료를진행할수있다는장점이있으며, 로봇의센서는환자가수행한작업을측정하고임상척도로는측정하기어려운미세한기능회복정도를계량화하여사용자가치료를계속할동기를부여하는것이특징 5
보건산업브리프 Ⅱ 주요분야및활용사례 1. 물리치료및훈련용로봇 ( 개요 ) 신경손상극복을위한재활과정에소요되는노동력과비용을절감하기위한대안으로로봇기술에주목 - 신경재활 (neuro-rehabilitation) 5) 은일반적으로물리치료사와언어치료사등숙련된인력이투입되어꾸준한 치료를수행해온분야 이는매우노동집약적인작업이며, 균형감각이상과사지의활동제약이있는환자를다루기위해서는 치료사에게상당한힘과민첩성이필요 신경재활을통한운동능력및언어능력회복에대한과학적증거들에도불구하고, 보험사등에서는의료비 지출억제를위해이같은재활치료에대한의료비급여를제한 - 이에따라, 노동집약적이고기계적반복이강조되는신경재활분야에서자동화에대한요구가커지고, 인간 치료사보다저렴한비용으로반복적인치료훈련을제공하는로봇기술의개발에대한수요가증대 ( 도전과제 ) 사용자별로최적화된신경재활운동의수준을설정하고실행하기위한로봇과사용자의협업시스템구축이중요 - 이과제를해결하기위해서는환자에게요구되는적절한운동과제를결정하고이를지원하기위한로봇치료 장치의이동과압력등을유연하게설정하는기능이필요 - 로봇장치를활용 6) 할경우의장점은, 재활기간동안사용자의신경과근육에서발생하는변화데이터를 측정하고분석함으로써신경의가소성 (plasticity) 을유발하는정확한값을파악하고이에따라치료의강도와 속도등을유연하게조정할수있다는것 재활적응의기초가되는사용자별계산값산출및특성화, 그리고최적화접근법에기반을둔적응향상 전략을도출하는것이이분야기술의핵심역량으로대두 이에따라별도의사전임상자료에의존하지않고상황별환자별맞춤치료가원활해질것으로기대 - 로봇장치를활용할경우의단점은, 현재까지어떤기계장치도다양한환경 ( 예 : 걷기, 닿기, 쥐기, 목움직임 등 ) 에서인간치료사와같은유연한움직임을구현하기어렵다는것 신체적재활훈련의경우, 사지의움직임이나이동을위한동작의대역이확보되어야하며로봇시스템의경우 제어상의문제등으로인해이러한범위에제약이발생 자유로운이동을위해서는로봇장치의경량화가요구되며특히착용형 (wearble) 로봇의경우가벼운장치를 만드는것이필수 인지적측면에서는인간치료사가환자의반응에대한실시간판단에따라다양한형태의대응 ( 예 : 스트레칭, 보조, 저항, 교란 ) 을할수있는것에비해로봇의경우사전입력된프로그램이외의대응에나서기어려운 한계가존재 5) 현재물리치료및훈련분야에서이루어지는많은활동이뇌졸중또는척수손상 (SCI) 이있는개인의운동능력재교육에초점을맞추고있음. 이러한조건을가진환자가비교적많고관련재활비용이높으며치료에따른성과가상대적으로더양호하기때문임. 뇌졸중의경우병변이팔과다리를포함할만큼충분히높으면개인은특히중증장애를경험할수있으며, 인구의고령화에따른발병률증가및뇌졸중발생후생존기간의장기화추세등을고려할때향후 20 년동안이러한뇌졸중환자의재활훈련수요는미국및주요선진국에서크게증가할것으로예상되며이는로봇분야의발전을가속화하는요인으로작용할전망 6) 이때로봇장치는데이터수집센서기능을포함 6
Global Insight - 이같은장단점을고려할때, 장기적으로로봇시스템의센싱장치와동작제어부문간의유기적인연결성이 강화되고환자의신체활동과밀착되어환경에대한적응력과움직임의자유도를높일수있는착용형외골격 로봇의활용도가높아질전망 (MIT-MANUS) 광범위한임상실험을거쳐상업적으로성공한최초의물리치료로봇 MIT-MANUS 는대표적인상지신경재활로봇으로상용화 - 미국 MIT 가개발한 MIT-MANUS 기술은신경재활로봇전문기업 Interactive Motion, Inc 를통해 InMotion ARM 라는브랜드제품으로판매 - MIT-MANUS 는환자가컴퓨터스크린상의위치를 변경하는표적으로커서를이동시키는것과같은단순한 비디오게임을통해테이블위에서팔을다양한각도로움직이도록함으로써재활을지원 사용자의신체적조건이나사용환경에따라조정가능한위치제어기를사용하여움직임을보조 수직운동, 손목운동, 손으로잡기등의동작을허용하는장치를위해추가모듈이개발 비디오게임을통해환자의동작수행능력에대한실시간측정이이루어지며, 이데이터를기반으로추후운동 프로그램에대한지원과운동강도의단계적증가를위한소프트웨어도개발 - 환자별상지운동능력데이터를기반으로한지능형인터랙티브기술을적용하여, 신경계질환환자에게 집중적인맞춤형감각치료를효율적으로제공 MIT-MANUS 에대한임상시험은로봇요법이급성및만성뇌졸중환자의운동능력향상에도움이될수 있음을확인했으며, 물리적치료외에손가락과손목근육의전기자극치료에대한유의미한효과도증명 자료 : Bionik (2017) < 그림 2> MIT-MANUS 를상용화한 InMotion ARM 의사용모습과비디오게임화면 ( 유사사례 ) MIT-MANUS 와동일한원리를적용해상지운동을통한재활을지원하는로봇시스템이지속적으로개발및개량되고있는추세 - 상지의운동범위와방식에대한기능개선이진행되고있으며기술개발후임상테스트를진행중인사례가증가 MIME(The Mirror Image Movement Enhancer) 시스템은 Puma-560 로봇팔을이용해환자가좀더 자연스러운팔의움직임을구현할수있도록지원 ARM Guide 는트럼본모양의장치를추가하여팔의직선운동을지원하는기능을구현 Bi-Manu-Track 은두개의모터를사용하는방식으로양손의손목에대해굴곡을조절하는훈련을지원 7
보건산업브리프 - GENTLE/s 시스템은환자가비디오게임을통해동작훈련을한다는점에서 MIT-MANUS와동일한아이디어를적용하되상용로봇인 HapticMaster를활용 - T-WREX 팔운동보조기는탄성밴드를사용하여팔을지지해주는동시에넓은범위의팔운동이가능하도록지원하는수동형 (passive) 외골격장치 손으로잡는기능을측정하는간단한센서를이장치에통합함으로써, 가상현실을통해쇼핑과요리등을시뮬레이션하며손운동을할수있도록지원 - 외골격로봇인 ARM-In과 Pneu-WREX 시스템은팔의움직임을더자연스럽게개선하고몰입형가상현실디스플레이와햅틱기술이적용된로봇팔을연결해실감형재활운동이가능한것이특징 - 한편, 걷기운동을지원하는로봇시스템으로는 GT-I, Lokomat, AutoAmbulator 등이이미다양한의료시설등에서활용 < 표 2> 사지운동을통한재활을지원하는로봇시스템사례 이름이미지주요특징 MIME 로봇팔을이용한자연스러운팔의움직임구현 ARM Guide 팔의직선운동을위한트럼본모양의장치추가 Bi-Manu-Track 양손의손목에대한굴곡운동지원 GENTLE/s 상용로봇인 HapticMaster 를활용한재활운동지원 T-WREX 가상현실시뮬레이션을통한손운동지원 ARM-In 몰입형가상현실디스플레이와햅틱기술이적용된로봇팔을연결해실감형재활운동을제공 AutoAmbulator 외골격로봇을이용한자연스러운걷기운동지원 자료 : 각홈페이지및관련자료참조하여넥스텔리전스재구성 (2017) 8
Global Insight 2. 장애보조용로봇 ( 개요 ) 로봇기술을활용해장애인이기능적독립성을확보하고일상생활에원활하게적응하며삶의질을높일수있도록지원 - 지금까지장애보조를위한로봇기술연구는인지장애보다는보행장애나작업상의제한이있는장애를 지원하는쪽에초점을맞추어발전 로봇사용자가안전이나능률적인의사소통을판단할인지적능력이결여되어있을경우, 이용과정의 안전성을보장하기어렵기때문 - 그러나인구고령화에따라노화로인한인지장애증가에대처하고인지발달장애아동의사회편입을지원할 필요가더욱커지는상황에서이같은추세에도변화가진행 - 예컨대미국의경우약 10 년전재활로봇시장의잠재사용자수는 10 만명으로추정되었으나 7), 고령화및각종 재해와질병으로인한장애발생증가로이는지나치게보수적이라는지적이제기 8) - 개인용로봇에대한인터페이스설계및로봇의안전기능강화를위한기술발전이지속되고있다는것도 본질적으로안전성을확보한장애지원로봇개발의전망을밝게하는요인 의사소통능력, 신체활동능력, 인지능력이저하된사용자를위한재활및요양로봇은인공지능기술과 결합하여시각과청각등의감각데이터를처리하고이를바탕으로한정확한운동능력을구현하는방향으로 발전 ( 도전과제 ) 장애지원을통해일상생활을보조하기위한로봇기술의가장큰도전과제는개인화된기능을제공하는동시에경제성있는대량생산시스템의적용가능성을찾는것 - 장애는매우개별화된특성이있으며, 임상적으로유사하게보이는장애의경우에도한사람을위한해결책이 다른사람에게도그대로적용되기는어려운상황 - 장애지원을위한각각의솔루션을개인화해야하는경우규모의경제를달성하기어렵고, 이는비용증가에따른 접근성의저하를초래 예컨대개인화된패딩보조기나맞춤형조이스틱컨트롤을갖춘전동휠체어의경우중형자동차수준의 비용을부담할수있는일부소비자에게만보급가능 - 로봇및장비제조업체들이틈새시장을넘어일반대중시장을겨냥한제품을판매할수없는경우본격적인산업 영역으로발전할가능성도제한적 - 따라서자동차산업과같이대량생산체제를확보하면서도개인화를가능하게하는수단을찾는것이중요 ( 유형 ) 장애보조용로봇은 작업보조용로봇 이동보조용로봇 인지보조용로봇등 3 개유형으로구분 - 첫째, 작업보조용로봇 (Manipulation Aids) 은작업장이나주방등에서장애인의일상생활동작수행 (ADL) 을 도와주는기능이핵심 고정식 (fixed) 작업보조용로봇의대표적사례인미국의장애인용전문작업보조로봇 ProVAR 는 1m 횡단 오버헤드트랙에장착된 PUMA-260 로봇팔을기본프로토타입으로설정해로봇이물건이나기기를작동 일반적인인터넷브라우저에 Java 또는 VRML(virtual-reality modeling language) 플러그인을통한풀다운 메뉴및제어화면인터페이스를제공 7) C. Stanger, M. Cawley: Demographics of rehabilitation robotics users, Technol. Disability 5, pp.125 138 (1996) 8) Van der Loos H.M., Reinkensmeyer D.J., Guglielmelli E., Rehabilitation and Health Care Robotics, p.1235 (2016) 9
보건산업브리프 자율적인이동이가능한작업보조용로봇은영화 < 스타워즈 (StarWars) 의 R2D2와같은유형의폼팩터를기본으로하여바퀴로이동하는단계부터휴머노이드형태의보행로봇의단계까지다양하게개발 Bosch가 2017년 IFA에서공개한로봇 Mykie는아직컨셉단계이지만, 태블릿을내장하고이동이가능한주방용로봇으로서장애인의 ADL을보완할뿐만아니라일반소비자에게도활용도가높은유니버설제품으로주목 한편, 로봇은통상적으로몇가지자동화기능을갖춘독립형시스템을의미하지만, 스마트침대및스마트홈은인간사용자의제어및실시간소프트웨어프로그래밍을통해모터를감지하고작동하므로로봇의범주에포함시키는추세 이같은스마트홈모듈은장애인이다양한 ADL 기능을제어하고모니터링을통해안전하게생활할수있도록지원 - 둘째, 이동보조용로봇 (Mobility Aids) 은휠체어네비게이션시스템과보행보조로봇으로구분 휠체어네비게이션시스템은기존의상업용휠체어에부착하여사용할수있는애드온 (add-on) 유형의제품들이개발및시판되고있으며이를통해휠체어이동의편의성을증진 보행보조로봇은바퀴가달린보행기형태가일반적이며, 장치에탑승한사용자의핸들조작에따라바퀴가회전하고초음파센서가전방의장애물을감지하여충돌을방지 - 셋째, 인지보조용로봇 (Cognitive Aids) 은개인의건강, 성장및상호작용을촉진시키는정서적인접근방식을통해인지발전을위한동기부여및교육기능을제공 물건을직접조작하거나사용자와물리적으로접촉하지않는경우에도팔을이용한몸짓과음성인식기반의의사소통기능을통해사용자와의다양한상호작용이가능 예컨대자폐환자의의사소통및사회생활기술을개발하기위해로봇장난감을활용한상호작용기능훈련을제공하거나, 가정에서간단한정보서비스및건강관리와관련된알림서비스를제공하는다양한형태의소셜로봇들이등장 < 표 3> 장애보조용로봇시스템의유형과사례 이름구분사례 고정식 (fixed) PUMA-260 Giving-A-Hand 작업보조용 (Manipulation Aids) 이동식 (mobile) Mykie JIBO Toyota HSR ARMAR 10
Global Insight 휠체어네비게이션시스템 이동보조용 (Mobility Aids) Navchair Wheelesley PerMMA 보행보조로봇 Pam-Aid HAL 인지보조용 (Cognitive Aids) - The CosmoBot Paro 자료 : 각홈페이지및관련자료참조하여넥스텔리전스재구성 (2017) ( 사례들 ) 일상생활에서신체적 인지적으로관리와지원이필요한환자들에게직접적으로도움을줄수있는로봇의개발이활발하게진행 - (HSR) Toyota 는사람을지원하는로봇이라는의미의 HSR (Human Support Robot) 을기치로내세워주로 실용적인장애보조용로봇에초점을맞춰을개발및임상테스트를진행 HSR 은 135cm 의소형이동로봇으로, 여러대의카메라와센서를내장하고있어어떤방향으로도움직일수 있으며접이형로봇팔을활용해물건을집거나조작하는기능을제공 도요타는 2012 년신체움직임이자유롭지못한개인들을지원한다는목표아래 HSR 의첫번째컨셉모델을 공개했으며 2017 년현재까지지속적인업그레이드를진행 2015 년공개된모델은고령자와장애인등거동이불편한사용자를위해바닥에떨어진물건을집는기능을 특화했으며, 사용자는태블릿화면을보며로봇의움직임을조정하는것도가능 2017 년일본의병원에서사람들을돕는업무를시작했으며전신마비환자가된아프가니스탄전쟁 참전병사의가정에서시범및실증서비스를제공 한편, 도요타는 HSR 의보급확대를위해대학, 연구기관, 기업등과제휴를확대하고 HSR 개발커뮤니티를 구축 - (Blossom) 미코넬대학교와 Google 의협업으로개발된소셜로봇 Blossom 은자폐증아동을지원하는 로봇으로감성적인외관을강조 Blossom 은자폐아들이사회적행위와공감에대해더많은것을배울수있도록함께동영상을시청하며 상호작용을진행 유튜브동영상을시청하고동영상내용에실제로반응하는과정에서 Blossom 이자폐아들의동료역할을하며 동영상에표현된감정을연습할수있도록지원 11
보건산업브리프 인간감성을반영한소셜로봇을통해자폐아의치료를돕는다는아이디어는이미보편화되어있으나, Blossom의경우로봇의외관을주인이수작업으로직접제작함으로써사용자에게맞춤화될수있다는것이특징 이로봇은안팎으로부드러운감촉을표현할수있는양털과목재같은재료로디자인되어, 촉각을통한상호작용에서도로봇의인간적인요소를강화 심리치료용로봇 Paro 역시인공모피재질로캐나다북동쪽지역에사는하프바다표범의외형과특성을표현해큰호응을얻었으나 Blossom은수공예적요소를더했다는점에서차별화 한편, 자폐아를위한인지보조용로봇개발은가장발전이빠른분야중하나로, 자폐어린이의운동, 인지, 정서적발달을지원하는대화용로봇 Leka와 Cosmobot 등다양한사례들이등장 - (GyroGlove) 파킨슨병환자의손떨림은먹거나쓰는등의기본적인작업조차도거의불가능하게만들지만 GyroGlove는이런상황을보완 손가락이부분이없는장갑형태의 GyroGlove 는자연스러운손움직임에필적하는감각을만들어내며, 손떨림을 90% 까지감소시키는것으로측정 GyroGlove와함께사용하게되는앱은의료팀이손떨림을추적해파킨슨병환자를더효율적으로관리할수있도록지원 GyroGlove는상용화시기에대한공식적인발표는아직없지만개발이완료되면보급형기술로서환자들의삶의질향상에기여할전망 자료 : 각홈페이지및관련자료참조하여넥스텔리전스재구성 (2017) < 그림 3> 자폐아를지원하는 Blossom( 좌 ) 과파킨슨병환자를위한 GyroGlove( 우 ) 3. 스마트보철장치및보조기 ( 개요 ) 신체의일부를대체할인공보철장치의감각 - 운동인터페이스향상이빠르게이루어지는가운데, 인체의팔다리만큼우수한기능과내구성을갖춘보조기의개발이진행 - 전통적인인공보철장치에첨단기술을적용한로봇액추에이터를결합해자연스러운구동과실감기능을 강화하는한편신기술을접목해생산비용을절감을시도 - 미국방고등연구본부 (DARPA) 의국방과학사무실 (Defense Sciences Office, DSO) 이 2005 년부터움켜잡기 등다양한손기능을구현하는인공팔개발프로젝트를통해자연적사지와거의동일한기능을갖춘임상시험용 인공보철물개발프로젝트를진행 12
Global Insight 이러한인공장치는신경신호에의해직접제어되며, 이프로그램은심각한부상에따른상지절단환자가가능한한정상적인삶을누릴수있도록하는것이목표 - 일각에서는 3D 프린팅기술을활용해개인의필요와취향에정확히맞춤화된보철을저렴한비용으로제공하려는실험을진행 Microsoft는생체공학업체 Limbitless Solutions와협업한 컬렉티브프로젝트 (Collective Project) 를통해작은인공보철물을삽입하기어렵거나성장기에있는어린이를위한 로봇팔 을 3D 컴퓨터로제작해제공했으며, 4만달러이상으로예상되었던보철비용이단 350달러로절감 자료 : Microsoft, Daily Mail (2015) < 그림 4> 컬렉티브프로젝트를통해아이언맨 로봇팔 을전달받은어린이 ( 도전과제 ) 자연적상태에최대한가까운기능과디자인, 저렴한비용을구현하기위한과제들이남아있는상태 - 첫째, 인공팔다리의여러관절을실제인체조직과마찬가지로위화감없이제어하고조정할수있는직관적인 인터페이스를확보하는것이필요 남아있는팔조직에정교하게들어맞도록맞춤제작하는것은물론손을제어하기위한근육의움직임감지와 신호전달체계마련등이중요 - 둘째, 로봇팔 은힘의범위, 무게, 휴대용전원장치의지속시간의문제로인해인체의팔과완전히일치되기 어려운문제가발생 - 셋째, 인체의팔다리는촉각센서와움직임센서가풍부하게연결되어있는만큼로봇사지에인공센서를설치한 후센서간정보피드백의속도와성능을강화하는것이중요 ( 표적근육신경재식 9) ) 팔다리제어신경을재배치하는비교적새로운수술방법과결합하여자연스럽게 사지를움직일수있는방식을적용함으로써문제해결을시도 - 뇌신경과근육을연결하는최첨단의료과학수술을통해이전에사용하던신경의경로를변경하여새로운 근육으로다시연결한다음예비근육에서근전도를통해사지움직임에대한사용자의의도를전달 뇌신경과연결되어직접팔과손가락을움직일수있는인공 로봇팔 을구현 - 미존스홉킨스대응용물리학연구소 (Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory, APL) 는근육 움직임을위한패턴인식훈련을통해사용자가인공팔을자유롭게제어할수있는기술을개발 사용자에게는패턴인식시스템에관한알고리즘을통해어떤근육들이수축하는지, 또근육간에통신이어떤 주기와진폭으로일어나는지숙지하는훈련이필요 9) Targeted Muscle Reinnervation 13
보건산업브리프 패턴인식훈련을마친후사용자는자신의몸과어깨에맞는인공팔을장착하고가상환경에서시뮬레이션을통해일상적인활동에적합한제어연습을진행 - 한편, 경로변경된신경의감각뉴런이작동하게되면서신경이재배치된부위에서손발의감각을감지할수있다는점이확인되었으며이는인공팔다리에촉각을제공할수있는인터페이스로활용가능할전망 자료 : IT News < 그림 5> 표적근육신경재식수술과결합한인공팔이식의성공사례 (BMI) 뇌신경신호를실시간으로해석해활용함으로써생각만으로로봇이나기계를움직이는기술을적용 - 인체에손상을주지않고뇌파및뇌혈류계측장치를사용하여뇌활동을계측하고여기에신호처리를실시해 사람이의도하는바를검출 미세전극을특정신경세포주변에위치시켜전기신호를잡아내특정명령으로전환하면마비된자신의신체 또는외부기계를조절하는것이가능 이를위해기능성자기공명영상장치 (fmri), 뇌자도 (MEG), 근적외선뇌계측장치 (NIRS), 뇌파도 (EEG) 등을사용 - 미국시카고재활의학연구소의인공팔다리연구센터는사람의뇌로부터신경활동을측정해생각을읽어들인 다음, 이정보를기계에보내서의지대로움직이는인공팔다리를개발하는프로젝트를진행 - 미전기자동차업체 Tesla 의 Elon Musk 는 2017 년뇌와컴퓨터연결에중점을둔새로운벤처기업 Neuralink 의출범을선언하고, 한걸음더나아가뇌임플란트개발계획을발표 - BMI 기술개발진행상황을고려할때, 스마트인공보철및보조기의향후제어시스템에는생각만으로여러 관절을제어할수있는두뇌의직접인터페이스에의지할수있는여지가커질전망 이기술은표적근육신경재식수술과결합하여자유롭고자연스러운스마트보철경험을제공할것으로기대 ( 임베디드인텔리전스 ) 로봇분야에서인공보행의효율과자유도를높이기위한방안으로인공무릎에마이크로프로세서및수동제동시스템을내장 - 이방식은보행자세에서최적의안정성을확보하고보행중다리의움직임이훨씬자유로워진다는것이장점 - Otto Bock C-Leg 이 1999 년최초의마이크로프로세서인공무릎으로소개된이후다양한제품들이출시 - 사용자의보행패턴에맞게컴퓨터프로그램을연결하고모바일앱을통해사용자가직접의족무릎의상태를 확인할수있으며, 문제발생시자동으로경보를제공 - 최근에는동작과정에서에너지를소비하는대신오히려전력을생산할수있는인공무릎 Power Knee 가 상용화되는등배터리충전등에대한부담도경감 14
Global Insight 자료 : proklinik, YouTube (2017) < 그림 6> Otto Bock C-Leg( 좌 ) 과 Power Kee( 우 ) Ⅲ 시사점 : 안전성과접근성의문제 1. 안전성 ( 안전성 ) 재활및요양용도의로봇은사용자와밀접하게상호작용하며로봇기반의운동훈련장치나인공관절의경우와같이동일한작업공간을공유하거나물리적으로인간과연결되므로안전성이중요 - 안전을보장하기위한일반적인전략은여러개의안전기능을중복하여적용하거나통합하는것 - 액츄에이터의범위, 강도및속도에제한을두어원하는작업을수행할수있지만그이상은수행할수없도록 하고한센서가오작동할경우다른센서가오작동을식별하고기계를안전하게종료할수있도록설계하는등의 전략이필요 - 산업용로봇분야에서 1992 년의 ISO 10218 이후 ISO 사용자안전규정이적용되는것과달리개인용재활 분야에로봇의경우에는이같은표준에대한모든합의가이루어지지않은것이문제점으로제기 재활로봇의안전에관한요구사항인 IEC/NP 80601-2-78 에대한제정과정진행 10) 안전성측정을위한다양한방법론들이제안되거나개발되어있으며실제개발현장에서이를적용해안전상의 리스크를점검하는추세가확산 - 현재미식품의약국 (FDA) 와같은조직이의료기기의안전 효과 표시를담당하며해당업무를처리할수 2. 접근성 있으나, 재활및요양분야의로봇기술이고도화될수록전문적인안전 / 표준처리가더중요해질전망 ( 접근성 ) 재활로봇분야는기술개발, 임상연구, 지원정책등법제도가함께보조를맞춰나가는과정에서경제성과접근성이강화될것으로기대 - 국내에서는 2015 년 12 월장애인건강권및의료접근성보장에관한법률과장애인 노인등을위한보조기기 지원및활용촉진에관한법률이공포되어 2017 년 12 월시행예정 - ICT 및인지분야와의융합등에힘입어기술개발속도가빨라지고있으나, 경제적인이점은대부분의재활로봇 부문에서아직결정적으로입증되지않은상황 3D 프린터를활용한인공의수제작사례등에서획기적인비용절감가능성이확인되기도했으나, 아직까지 규모의경제를달성할만한시장을확보하기어려운것도사실 10) ISO TC 299, Robots and robotic devices 의 Joint Working Group 5 ( 이전의 JWG 9) Medical robotsafety 에서개발중 15
Global Insight - 임상연구를통해로봇기술을적용한재활장치가제공하는치료효과에대한객관적인데이터가도출되고이를기반으로적절한지원혜택및규모의산정이필요 - 매력적인비용편익비율을달성하여상업적으로성공한로봇기술의사례를더많이발굴및육성하는것도중요한과제 예컨대뇌졸중환자를위한걷기재활훈련과정에서로봇시스템의성과가다른훈련기술을압도하는것으로평가됨으로써시장에서빠르게확산 - 로봇시스템의효능이향상되고기술개발등에따른비용절감효과가가시화될경우자연스러운시장확대를기대할수있으나시장의성장촉진을위한정책적판단이필요할수도있음 - 한편, 미표준개발기구인국제전기전자기술자협회 (IEEE) 는 윤리적설계 (Ethically Aligned Design)' 라는보고서를통해자동화된시스템의작동방식에대한투명성을높이고, 사람이더많이관여하며, 시스템설계에따른결과를책임질수있어야한다고강조 참고문헌 1. 메디파나, 4 차산업혁명新시장 ' 의료재활로봇 ' 개척본격화, 2017.8.7 2. 송원경 (2016). 재활로봇의기술동향. 한국통신학회지 ( 정보와통신 ), 33(8), 10-18 3. Cision, Interactive Motion Technologies InMotion Robots Used to Identify Novel Biomarkers of Motor Recovery, 2014.2.14 4. Fractovia, Healthcare Assistive Robot Market Outlook: Rehabilitation medical robots to exhibit extensive growth over 2016-2024, 2017.2 5. Microsoft Blog, The Collective Project: Changing the world with bionic arms for kids, 2015.2.8 6. MIT News, MIT robot may accelerate trials for stroke medications, 2014.2.11 7. RuijiaoLi et al, Cognitive assisted living ambient system: a survey, Digital Communications and Networks Volume 1, Issue 4, November 2015, Pages 229-252 8. Technavio, Top 15 Rehabilitation Robotics Companies, 2014.12.11 9. Tractica, Healthcare Robotics, 2016.4Q 10. Van der Loos H.M., Reinkensmeyer D.J., Guglielmelli E. (2016) Rehabilitation and Health Care Robotics. In: Siciliano B., Khatib O. (eds) Springer Handbook of Robotics. Springer, Cham 집필자 : 산업통계팀김수범문의 : 043-713-8239 본내용은연구자의개인적인의견이반영되어있으며, 한국보건산업진흥원의공식견해가아님을밝혀둡니다. 본간행물은보건산업통계포털 (http://www.khiss.go.kr) 에게시되며 PDF 파일로다운로드가능합니다. 16 Korea Health Industry Development Institute