[Yeogie인터뷰] Arizona State University(ASU) 기계항공공학 이형래 연구원 운동 제어 이론에 기반한 물리적 인간-로봇 상호작용 및 로봇 신경재활 정대상 기자입력 2018-03-10 13:12:40

ASU에서 연구를 수행하고 있는 이형래 연구원은 로보틱스와 신경과학의 융합을 통해 뇌졸중, 다발성 경화증 등 신경 질환을 가진 환자들의 운동 기능 회복을 위한 로봇기술 개발에 매진함으로써 전체적인 신경 재활 프로그램의 효용성 및 효율성을 제고하고, 이를 통해 환자들의 삶의 질 향상에 기여하겠다는 포부를 지니고 있다. 본지에서는 기계·건설공학연구정보센터의 도움을 받아 이형래 연구원의 연구를 소개한다.

 

(맨 오른쪽)Arizona State University(ASU) 기계항공공학 이형래 연구원

 

대표 논문
1. J. Hunt, Pa. Artemiadis, H. Lee, “Optimizing Stiffness of a Novel Parallel-Actuated Robotic Shoulder Exoskeleton for a Desired Task or Workspace”, IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA 2018), May 2018, Australia
2. J. Hunt, H. Lee, P. Artemiadis, “A Novel Shoulder Exoskeleton Robot Using Parallel Actuation and a Passive Slip Interface”, ASME Journal of Mechanisms and Robotics, 2017, Vol 9 (1)
3. V. Nalam and H. Lee, “Design and Validation of a Multi-Axis Robotic Platform for the Characterization of Ankle Neuromechanics”, IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA 2017), May 2017, Singapore
4. H. Hanzlick, H. Murphy, and H. Lee, “Stability of the Human Ankle in Relation to Environmental Mechanics”, IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA 2017), May 2017, Singapore
5. H. Lee, N. Hogan, “Investigation of human ankle mechanical impedance during locomotion using a wearable ankle robot”, IEEE Trans. on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, 2015, Vol 23 (4), 755-764

 

Q. 본인의 연구에 대한 소개.
A. 주요 연구 분야는 로보틱스 중 한 갈래인 물리적 인간-로봇 상호작용(Physical Human-Robot Interaction)과 신경과학의 한 분야인 운동 제어이론(Neuro Motor Control)의 접점에 있다. 보다 세부적으로 말하자면, 인간이 주변의 다양한 환경과 물리적 상호작용을 하는 가운데 우리의 신경 근골격계(Neuromuscular System)가 어떻게 반응하고 작동하는지에 대해 이해하고, 이를 바탕으로 물리적 인간-로봇 상호작용을 개선하고자 한다.


궁극적으로 뇌졸중(Stroke), 다발성 경화증(Multiple Sclerosis) 등 신경 질환을 가진 환자들의 운동 기능 회복을 위한 로봇기술을 개발하고 제공함으로써, 전체적인 신경 재활 프로그램의 효용성 및 효율성을 높이고 환자들의 삶의 질 향상에 기여하는 데 연구 목표를 두고 있다.

 

Q. 해당 연구에 대해 보다 구체적으로 설명하자면.
A. 로봇에 기반을 둔 신경 재활에 대한 다양한 접근 방식이 있지만, 로봇 설계 및 제어에 앞서 건강한 사람과 환자의 운동 능력에 대해 더욱 정확한 이해와 정량화가 선행되어야 한다고 생각한다. 


현재까지 운동제어에 있어서 중요한 두 가지 요소인 근골격계의 임피던스(Mechanical Impedance) 및 반사기전(Reflex Mechanism)을 정량화하는 연구를 주로 수행하고 있다.
임피던스는 여러 시스템간의 에너지 교환을 설명하는 중요한 개념으로, 물리적 상호작용의 다양한 측면(안정성(Stability), 성능(Performance) 등)을 정량화하는 데 사용될 수 있다. 

 

근골격계의 임피던스 및 반사기전에 대한 개념도


또한 반사기전은 자발적 응답(Voluntary Response)과 함께 운동 제어에 있어 중요한 요소로서, 외부 자극(External Stimuli)에 대한 빠른 반응이라고 간단히 말할 수 있다. 반사기전은 잠복기(Latency)에 따라 여러 기능적 특성이 있는데, 특별히 Long Latency Reflex라 불리는 기전을 중점적으로 연구하고 있다. 이는 빠른 반사 작용과 자발적 응답 특성을 동시에 지니는 고유한 현상으로 다양한 태스크 환경에서 상당히 유연하게 작용하는 특성이 있다.


현재 임피던스 및 반사기전의 정밀한 정량화를 위해 사람과 안정적으로 그리고 안전하게 물리적 상호작용이 가능한 다양한 로봇과 시스템 식별(System Identification) 기법을 결합한 연구 방식을 사용하고 있다.


이 방식은 기존의 의료진에 의해서 수행되었던 주관적인 측정 방식보다 더욱 정확하고, 객관적인 환자 상태 파악을 가능하게 하며, 이는 재활치료의 각 단계/과정에 있어서 효율적인 운동 치료의 선정 및 수행을 위한 정보를 제공해줄 것이다.


상지에 대한 로봇 재활 치료가 최근 미국 내 의료 기관들(American Heart Association, VA/Department of Defense)로부터 추천됐지만, 아직 하지에 대한 로봇 재활 치료는 더 연구가 필요하며, 현재까지 추천단계에 다다르지 못했다고 알려져 있다. 
하지 연구는 사람-로봇-주변 환경의 복잡한 상호작용을 수반하는 특성상 상지 연구보다 복잡도가 높은 경우가 많다. 본인을 비롯한 많은 사람이 최근 들어 하지 연구를 하고 있는데, 조만간 하지에 대한 로봇 재활 치료 또한 의료 기간으로부터 추천받는 날이 오기를 기대하고 있다.

 

근골격계의 임피던스 및 반사기전의 정량화를 위한 연구에 사용된 로봇 장비들

 

Q. 연구 중, 어떤 극복해야 할 문제가 있었고 이를 어떻게 해결했나.
A. 많은 연구가 그러하듯 본 연구 또한 언제나 극복해야 할 문제들의 연속이다. 앞서 말했듯이 이 연구를 수행하기 위해 두 연구 분야(운동 제어이론과 로보틱스)가 주로 사용되는데, 두 연구 분야의 접근 방식이 상당히 다른 측면들이 있어 이를 어떻게 잘 결합할지에 대해 고심할 때가 많다.


박사 기간 동안 로보틱스를 공부했고, 박사후 과정 동안 운동제어에 대해 공부를 했던 경험이 각 분야의 전문가들과 토론을 하는데 큰 도움이 되는 것 같다. 
또한 신경 손상 환자들과 함께하는 연구에서는 건강한 사람들에게서는 예측하지 못했던 변수들이 생기고는 하는 데, 함께 연구하는 의료진 및 동료 연구자들의 조언이 큰 도움이 된다.


결국 여러 분야의 전문가들과 함께 고심하고, 토론하며, 해결책을 찾아 나가는 것이 문제 해결에 가장 큰 도움이 되었던 것 같다.

 

A. 이형래 연구원이 MIT 유학 시절 지도교수였던 Neville Hogan 교수(左) 및

논문 지도교수였던 Harry Asada(右)와 기념촬영을 하고 있다.
B. Shirley Ryan Ability Lab(舊 RIC)
C. Shirley Ryan Ability Lab 내부 모습

 

Q. 연구 활동과 관련해 앞으로의 계획은.
A. ASU에서 진행한 지난 2년간의 연구들은 향후 연구를 위한 기반(Framework)을 마련하는 데 중점을 뒀다. 향후 연구는 이를 기반으로 다음과 같은 연구를 중점적으로 수행할 예정이다. 


첫째, 하지에 대한 연구는 기존의 많은 연구가 상당히 제약된 실험 환경에서 진행되었는데, 최근 개발하고 있는 몇몇 로봇 장비를 사용해 보행 및 자세 균형 제어 등 다양하고 자연스러운 상황에서 임피던스 및 반사기전이 어떻게 작동하는지에 대해 연구하고자 한다. 둘째, 기존의 연구가 하지에 집중되었다면, 이를 상지 쪽으로 확장하는 연구를 수행하고자 한다. 현재는 사람의 관절 중 가장 복잡한 어깨 관절의 특성을 파악할 수 있는 로봇을 개발하고 이를 사용해 근골격계의 다자유도 특성을 파악하는 연구를 수행할 예정이다. 마지막으로, 뇌졸중 환자, 다발성 경화증 환자에 대한 특성 파악 및 정량화를 수행하고 이를 기반으로 로봇 기반 재활 치료 방법을 제안하며, 효용성 및 효율성을 테스트하는 연구를 진행할 계획이다.

 

이형래 연구원과 실험실 학생들

 

Q. 이 분야로 진학하려는 후배(또는 유학 준비생)에게 조언하고자 하는 바는.
A. 로보틱스 세부의 많은 분야와 마찬가지로, 재활 로봇 분야 또한 융합학문으로서 여러 학문의 지식이 필요하다. 본인이 현재 전공하는 분야에 대한 깊이를 더해가면서, 재활 로봇 분야를 전공하기 위해서 어떠한 세부 분야들을 앞으로 공부해야 할 지 지속해서 관심을 가지고 최근 뉴스, 논문들을 꾸준히 접하는 것이 중요하다고 생각한다. 이렇게 하다 보면 어느새 자기가 현재 중점적으로 전공하고 있는 분야를 큰 줄기로 가지고, 관심 분야에 따라 작은 가지를 하나씩 하나씩 키워나가는 모습을 발견할 수 있을 것이다. 


또한, 학부생이라면 해당 분야에 필요한 기초체력(동역학, 기구학, 신호 및 시스템, 확률 및 통계, 프로그래밍 등의 공학 필수 과목)을 탄탄히 쌓아 놓기를 강력히 추천한다. 향후 연구에 큰 도움이 될 것이다.


아울러 유학을 준비한다면, 충분한 사전 조사 후 자기 생각을 잘 정리해서 여러 선배들과 상의하고 의견을 들어보면서 자신의 유학 목표를 다듬어 나갈 수 있기를 바란다.

정대상 기자
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