의료용 로봇외골격 연구 상용화 동향

[Michael]

  로봇 외골격(robot exoskeleton, RE)은 2018년 1억 3천만 달러의 시장 규모가 2025년에 52억 달러로 성장할 정도로 성장성이 매우 기대되는 분야이다[1]. 1965년 미국방부의 자금으로 GE가 개발한 Hardiman (Human Augmentation Research and Development Investigation)[2]부터 지속적으로 DARPA의 지원으로 군사용 로봇 외골격 연구[3], 유럽의 경우 하반신 마비 환자의 보행 보조도구로서 뇌-신경-컴퓨터 인터페이스기술을 적용한 마인드워커(Mindwalker) 프로젝트[4] 등이 기술발전을 촉진하였다. 현재는 의료용이 시장의 대부분을 차지하고 있으며, 향후 산업 현장 및 군사용으로 용도가 확장될 것으로 전망된다. 의료용으로 유럽은 2012년부터 CE 마크를, 미국에서는 2014년부터 FDA 승인이 나기 시작하였다. 현재 규제기관의 승인을 획득한 리워크 로보틱스 (ReWalk Robotics), 엑소 바이오닉스 (Ekso Bionics), 파카 (Parker), 사이버다인(Cyberdyne) 등의 제품이 시판되고 있다. 외골격 제품들의 중량은 12~24Kg이고, 가격은 5만~14만 달러 수준이다.

  리워크 로보틱스는 아미트 고퍼 (Amit Goffe) 박사가 사고로 하체마비가 된 후, 휠체어의 한계점을 인식하고 외골격을 개발하기 위하여 2001년 이스라엘에서 설립하였다. 리워크의 외골격 제품은 2011년 병원용으로 2014년에는 가정용 및 공공용으로 FDA 승인을 받았다. 손목에 착용한 무선 리모컨을 사용하여 일어서거나 앉거나 걷도록 조정한다. 전체적인 무게는 21Kg이나 사용자는 2.3Kg인 배낭의 무게만을 느끼도록 설계되었다[5]. 이 제품을 사용한 척수손상환자 치료 사례 보고서는 삶의 질, 걷기 능력, 심혈관 지구력 및 운동 신경 상태에 긍정적인 영향을 준다는 증거를 제시한다[6]. 리워크 로보틱스는 2006년 보행운동기구[7], 2013년 운동보조장치 및 방법[8], 2018년 목발이 달린 보행 장치[9]와 앉은 지지대가 있는 외골격 장치 및 그 작동 방법[10]을 미국 특허청에 등록하였다.

  엑소 바이오닉스는 캘리포니아 대학교 버클리캠퍼스의 분사기업으로 2005년 설립되었다[11]. 설립 초기에는 DARPA의 지원으로 미국 해군의 특수전 부대인 SEAL (Sea, Air, Land Teams)의 짐 운반을 위한 군사용 로봇외골격을 연구하였다. 이후 공동 설립자이자 사장인 Russ Angold의 형제가 사고로 척수손상을 당한 후 척수손상환자를 위한 상용화를 연구하기 시작하였다. 의료용 상용화 연구는 NSF (National Science Foundation)와 NIST (National Institute of Standards and Technology)의 지원으로 지속할 수 있었다. 엑소의 외골격 제품은 2012년 유럽 CE 마크, 2016년 미국 FDA 승인을 받았다[12]. 엑소 바이오닉스의 제품도 척수손상환자의 보행훈련에서 안정성 및 타당성이 보고되고 있다[13]. 엑소 바이오닉스는 로봇외골격을 위한 HMI (Human Machine Interface)등 50여건의 기술을 미국 특허청에 등록하였다.

  인디고(Indigo)는 밴더빌트 대학 Michael Goldfarb 교수의 연구를 기반으로 개발된 후 제어기기 분야의 선도기업인 Parker Hannifin에서 독점 라이센스를 받아 상용화하였다[14]. 초기 개발은 NICHD (National Institute of Child Health and Human Development)의 지원을 받았다. 이 회사의 외골격 제품인 인디고(Indigo)는 2016년 FDA 승인을 받았다[15].

  사이버다인은 일본 Tsukuba대학 Yoshiyuki Sankai교수의 연구를 기반으로 2004년에 설립되어 HAL (Hybrid Assistive Limb)을 개발하였다[16]. 사람이 움직이려고 할 때, 뇌는 생체 신호를 척수를 통해 제어하는 ​​특정 근육으로 보내는 데, HAL은 피부 표면의 신호를 감지하고 해당 관절의 모터로 전달하여 근육의 힘이 부족한 경우에 착용자가 걷는 것을 도와준다[17]. 노화, 질병 또는 부상으로 인해 마비된 팔다리를 움직이기 위해 HAL을 지속적으로 사용하면 신경 및 근골격계 사이의 네트워크가 재생되는 사례가 있다[18]. 즉, 사람의 뇌에서 ‘이동하고 싶다’는 신호가 척수 및 말초 신경을 통해 근골격계에 전달되고, 실제로 ‘움직였다’는 뇌 · 신경 · 근육 계통의 ‘대화형 바이오피드백 (interactive Bio-Feedback, iBF)’을 다시 사람의 뇌에 보내는 것이 기능개선촉진의 중요한 열쇠가 된다. 이 제품은 2013년 일본과 유럽에서 뇌-신경-근육 질환 환자의 치료를 위한 기기로 승인을 받았다. 미국 FDA 승인은 2018년에 받았다[19]. 독일, 헝가리 등에서는 회당 500유로의 진료비가 60회까지 산재보험의 적용을 받아 전액 지원된다[20]. 일본에서는 사이버다인이 HAL수트를 병원 및 의료 시설에 대여하고 사람들이 하이테크 기계에 익숙해 질 수 있도록 교육 과정을 제공하고 있다.

  혼다는 1999년부터 보행 로봇에 대한 혼다의 연구를 기반으로 걷기를 효과적으로 지원하는 훈련 장치인 워킹 어시스트 (Honda Walking Assist)를 개발하였다[21]. 이 제품은 일본에서 2015년부터 임대 및 판매를 시작하여 약 250개 시설에서 도입되어 보행 훈련, 보행 능력 측정 및 기타 활동에 활용되고 있다. 2019년 미국 FDA로부터 상업적 유통에 대한 요구사항 인 “시판전 통지 (premarket notification)”를 받았다[22].

  국내에서는 현대자동차, 현대로템, 한국생산기술연구원, LG전자와 삼성전자 등이 외골격을 개발 중이다. 현대자동차는 2015년 하지마비 환자용 외골격 로봇 H-MEX(Hyundai Medical Exoskeleton)을 개발하고 기술 보강과 임상시험을 거쳐 2020년 년쯤 상용화 예정이다[23]. LIG넥스원과 현대로템은 미래 병사용 웨어러블 로봇을 개발 중이다. 한국생산기술연구원의 로봇 벤처기업 FRT(Field Robot Technology)는 IT 전문기업인 아이디스와 함께 소방관용 웨어러블 로봇을 개발중이다. LG전자는 하체 근력 지원용 웨어러블 로봇인 클로이 (CLOi) 수트봇을 개발 중이다. 삼성전자는 근력저하·질환·상해로 보행에 어려움을 겪을 경우 재활과 거동을 돕는 웨어러블 보행 보조 로봇 GEMS(Gait Enhancing & Motivating System)를 개발 중이다.

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[1] Wintergreen Research, “Wearable Robots, Exoskeletons: Market Shares, Strategies, and Forecasts, Worldwide, 2019-2025,” 2019.

[2] Mosher, Ralph S. "Handyman to hardiman." Sae Transactions (1968): 588-597.

[3] Bogue, Robert. "Exoskeletons and robotic prosthetics: a review of recent developments." Industrial Robot: An International Journal 36.5 (2009): 421-427.

[4] Gancet, Jeremi, et al. "MINDWALKER: Going one step further with assistive lower limbs exoskeleton for SCI condition subjects." 2012 4th IEEE RAS & EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics (BioRob). IEEE, 2012.

[5] Bogue, Robert. "Robotic exoskeletons: a review of recent progress." Industrial Robot: An International Journal 42.1 (2015): 5-10.

[6] Raab, Katharina, et al. "Effects of training with the ReWalk exoskeleton on quality of life in incomplete spinal cord injury: a single case study." Spinal cord series and cases 2 (2016): 15025.

[7] US Patents US7153242B2 (Granted 2006-12-26), “Gait-locomotor apparatus,”Inventor: Amit Goffer, Current Assignee REWALK ROBOTICS Ltd

[8] US Patents US8348875B2 (Granted 2013-01-08), “Locomotion assisting device and method,”Inventor: Amit Goffer, Chaya ZILBERSTEIN, Current Assignee REWALK ROBOTICS Ltd

[9] US Patents US10137050B2 (Granted 2018-11-27), “Gait device with a crutch,”Inventor, Amit Goffer, Current Assignee REWALK ROBOTICS Ltd

[10] US Patents US10130547B2 (Granted 2018-11-20), “Exoskeleton device with sitting support and method of operation thereof,”

[11] Pransky, Joanne. "The Pransky interview: Russ Angold, co-founder and president of Ekso™ Labs." Industrial Robot: An International Journal 41.4 (2014): 329-334.

[12] Gardner, Amy D., Johan Potgieter, and Frazer K. Noble. "A review of commercially available exoskeletons' capabilities." 2017 24th International Conference on Mechatronics and Machine Vision in Practice (M2VIP). IEEE, 2017.

[13] Baunsgaard, Carsten Bach, et al. "Gait training after spinal cord injury: safety, feasibility and gait function following 8 weeks of training with the exoskeletons from Ekso Bionics." Spinal cord 56.2 (2018): 106.

[14] Hall, Heidi, “Exoskeleton developed at Vanderbilt University collects R&D 100 Award,” Research News at Vanderbilt University (Nov. 28, 2018)

[15] Tita, Bob, “Parker Hannifin’s Robotic Exoskeleton Gets FDA OK for Personal Use,”Wall Street Journal (Mar. 10, 2016)

[16]Chung, Doug J., and Mayuka Yamazaki. "Cyberdyne: A Leap to the Future." Harvard Business School Case 516-072, January 2016. (Revised July 2018.)

[17] Kawamoto, Hiroaki, and Yoshiyuki Sankai. "Power assist system HAL-3 for gait disorder person." International Conference on Computers for Handicapped Persons. Springer, Berlin, Heidelberg, 2002.

[18] Morishita, Takashi, and Tooru Inoue. "Interactive bio-feedback therapy using hybrid assistive limbs for motor recovery after stroke: Current Practice and Future Perspectives." Neurologia medico-chirurgica 56.10 (2016): 605-612.

[19] Dormehl, Luke, “FDA-approved robotic exoskeleton magnifies wearers’ strength tenfold - HAL robotic exoskeleton from Cyberdyne now available in the U.S.,”Digital Trends (Mar. 2, 2018)

[20] Moore, Charles, “HAL Robotic Remedial Device Helps Disabled Persons From Diseases Like MD Re-learn How To Walk,”Muscular Dystrophy News Today (Apr. 22, 2015)

[21] Koseki, Kazunori, et al. "Gait Training Using the Honda Walking Assistive Device® in a Patient Who Underwent Total Hip Arthroplasty: A Single-Subject Study." Medicina 55.3 (2019): 69.

[22] Henry, Megan, “Honda’s Walking Assist Device receives FDA clearance,” The Columbus Dispatch (Jan. 10, 2019)

[23] Jin, Eun-Soo, “Technological strides in South Korea offer freedom of mobility,”The Straits Times (Sep. 28, 2019).