TED2014 달리고 등산하고 춤출 수 있게 해주는 새로운 인체 공학(New bionics let us run, climb and dance) | 휴 허(Hugh Herr)

New bionics let us run, climb and dance | Hugh Herr

게시일: 2014. 3. 28.

휴 허는 자연의 디자인에 영감을 받아 차세대 로봇 의수족을 만듭니다. 30년 전에 등반 사고로 두 다리를 잃었지만 지금은 MIT 미디어 랩의 생체기계학 연구 그룹의 책임자로 있는 그가 기술적이고 또 동시에 대단히 인간적인 강연을 통해, 믿기 어려운 기술을 보여줍니다. - 2013년 보스톤 마라톤 폭탄 테러에서 왼쪽 다리를 잃은 무도회 댄서 아드리안 해스렛-데이비스의 도움을 받습니다. 그녀는 TED 무대에서 처음으로 다시 무대에 섭니다.

과학이라는 돋보기를 통해 자연을 깊숙히 들여다 보며 

디자이너들은 원리와 과정 그리고 디자인 방법의 가장 기초가 되는 재질을 찾아냅니다.

생물학적 재질을 닮은 합성 구조물로 부터 신경을 모방한 계산적 방법론까지 자연은 디자인을 이끌어 갑니다.

디자인이 또한 자연을 이끌기도 하죠. 

유전학의 영역과 재생 약품 그리고 합성 생물학의 영역에서 

디자이너들은 자연이 예측하거나 예견하지 못한 참신한 기술을 만들어 내고 있습니다.

생체 공학은 생물학과 디자인 사이의 상호작용을 탐구합니다.

보시다시피 제 다리는 생체 공학의 산물입니다.

오늘 저는 생체 공학의 통합적 결과로 인간적 이야기를 들려드리고자 합니다.

신체에 부착되고 신체 내부에 이식된 전자식 기계가 

어떻게 장애와 비장애 또 인간이 가진 한계와 가능성 사이의 간극을 메우기 시작하는지 말씀드리려고 합니다.

생체 공학은 저의 운동능력을 정의해 주었습니다.

1982년에 저는 산악 등반 사고에서 입은 동상으로 인한 조직 손상으로 두 다리를 절단했습니다.

그 당시에 저는 제 몸이 무너졌다고 여기지 않았습니다.

저는 사람은 절대로 좌절하지 않는다고 생각했습니다.

기술은 무너집니다.

기술은 부족합니다.

간단하지만 강력한 이 생각이 

제 자신의 장애와 궁극적으로는 다른 사람들의 장애를 제거하는 발전된 기술을 가져야겠다는 기폭제가 되었습니다.

저는 바위와 얼음벽을 수직으로 오르는 세계로 되돌아 갈 수 있도록 하는 특화된 수족을 개발하기 시작했습니다.

저는 인공 신체가 쉽게 변할 수 있어야 하고 어떤 형태나 기능이든 잘 수행 할 수 있을 정도로

만능이어서 생물학적 능력을 넘어설 수 있는 구조물을 만들어 내야 한다는 점을 곧바로 인식했죠.

저는 높이를 조절할 수 있도록 만들었습니다.

제가 원했던 것은 최소 5피트에서 원하는 만큼의 키가 될 수도 있었습니다.

(웃음)

그래서 제 자신에 대해서 불쾌하거나 불안한 느낌이 들면 키를 늘일 수 있도록 말이죠.

한편 제가 자신감이 들고 기분이 좋으면 경쟁자에게 기회를 주려고 키를 한 단계 낮춥니다.

(웃음) (박수)

좁고 뾰족한 발이 있어야 가파른 바위 균열 틈새로 등반할 수 있고 

스파이크가 있어야 다리 근육에 피로를 주지않고 수직 빙벽을 오를 수 있습니다.

기술 혁신을 통해 저는 제 운동 능력을 더 강하고 좋게 할 수 있었습니다.

기술은 저의 장애를 없애주었고 제게 새로운 등반 기술을 맛볼 수 있게 했습니다.

젊은이로서 저는 기술이 엄청나게 발달해서

세상에서 장애를 없앨 수 있는 미래의 세상을 꿈꾸었습니다.

그런 세상은 신경 이식을 통해 시각 장애자가 볼 수 있고

마비 환자가 외골격 신체를 이용해 걸을 수 있는 곳입니다.

슬프게도, 기술 부족으로 인하여 장애는 세상에 만연해 있습니다.

이 남자 분은 팔다리 세 군데가 없습니다.

현재 기술의 증인으로서 그 분은 휠체어를 벗어 났지만

생체학이 더 좋아져서 언젠가는 이 정도 부상을 입은 사람도 완전히 회복시킬 수 있어야 합니다.

저희는 MIT 미디어 랩에 극단적 생체공학 센터(Center for Extreme Bionics)를 설립했습니다.

이 센터의 임무는 기초 과학과 기술적 능력을 증진하여

뇌와 신체의 모든 장애에 대한 

생체 메카트로닉스와 인체의 재생성 회복을 가능하도록 하는 겁니다.

오늘 저는 제 다리가 어떻게 기능하는지, 작동 방식을 말씀드리려 합니다.

이 센터의 주요 실례로써 말입니다.

어제 밤에 다리 면도를 했습니다.

오늘 다리를 보여드여야 할 수도 있으니까요.

생체 공학은 첨단의 인터페이스 공학을 수반합니다.

제 생체 공학적 의족에는 세 개의 첨단 인터페이스가 들어있어요.

기계적으로는 제 의족이 제 몸에 연결되는 방식이고요.

역학적으로는 의족이 진짜 다리처럼 움직이는 방식이죠.

또 전기적으로는 의족이 제 신경시스템과 소통하는 방식에 있습니다.

기계적인 인터페이스부터 말씀드리지요.

디자인이란 분야에서 우리는 여전히 장치를 신체에 기계적으로 붙이는 방법을 모르고 있습니다.

오늘날 이 시대에 까지도 

인류사에 있어서 가장 성숙하고 오래된 기술 중에 하나인 

신발로 인해 물집이 생긴다는 점이 제게는 정말 놀랍습니다.

어떻게 그럴 수가 있답니까?

우리는 아직도 물건을 우리의 신체에 붙일줄 모릅니다.

이것은 MIT 미디어 랩의 네리 옥스만 교수가 제작한 아름답고 시적으로 디자인된 작품인데요.

공간적으로 가변적인 외골격계 임피던스를 보여줍니다.

여기 보시듯이 색깔의 변화를 3차원 프린트 결과로 보실 수 있죠.

필요에 따라 피부가 딱딱해졌다 부드러워지는 미래를 상상해 보세요.

필요에 따라 최대로 지지되고 또 유연하지만 불편함이 전혀 없어야 하죠.

제 의족은 제 신체에 인조 피부를 통해 붙어있습니다.

인조 피부는 그 아래에 있는 제 신체의 조직에 따라 강도를 조절하고요.

조직에 따라 그렇게 조절이 가능하게 하기 위해서 저희는 우선 제 신체의 팔다리에 대한 수학적 모델을 개발했습니다.

그러기 위해서 저희는 MRI 같은 영상 장비를 이용해서 제 신체의 내부를 보고 여러 조직 사이의 배치와 위치를 알아냈습니다.

저희는 로보트 관련 기술도 차용했습니다.

이것은 14개의 구동기로 된 원 모양의 장치인데 신체 기관 주변을 둘러쌉니다.

구동기가 작동하여 인체의 표면을 찾아 의족을 장치하지 않았을 때의 모양을 측정합니다. 

그 다음에는 조직을 눌러 변화된 모습을 각각의 해부학적 지점에서 측정합니다.

이런 영상을 종합하고 로보트 공학의 자료를 이용하여 왼쪽에 보이는 제 팔다리의 수학적 표현을 찾아냅니다.

여러 개의 점과 선이 보이죠.

각 선분에는 색깔이 있어서 조직의 변이를 나타냅니다.

그리고 나서 수학적 변환을 이용해 오른쪽에 보이는 인조 피부를 디자인 합니다.

저희는 몸이 딱딱해지고 인조 피부가 부드러워져야 하거나 

몸이 부드럽고 인조 피부가 딱딱해져야 하는 최적의 시점을 찾아냈습니다.

그리고 이러한 연동이 조직 전체의 변화에 따라 일어나야 하는 최적의 시점을 찾아냈습니다.

이런 체제 안에서 저희는 생체 공학적 의족을 만들어냈고 그 의족은 제가 사용해본 것 중에 가장 편안했습니다.

미래에는 분명히 옷이나 신발, 보조기, 인공 기관들이 

더 이상 디자인되거나 자동화 과정으로 생산되는 것이 아니라 자료를 이용한 수치적 체제 를 통해 생산될 것입니다.

그런 미래에는 더 이상 신발로 인한 물집은 생기지 않겠지요.

우리는 또한 센서와 스마트 기기를 인조 피부 속으로 집어 넣을 겁니다.

이 재질은 캘리포니아의 SRI 사가 개발했는데요.

정전기 효과에 의하여 굳기를 달리합니다.

0 볼트 이하로 내려가면 재질이 유연해집니다.

종이같이 유연하죠.

단추를 누르면 전압이 가해지고 판처럼 딱딱해집니다.

저희는 제 신체에 의족을 붙이는 인공 피부에 이 재질을 넣었습니다.

제가 걸을 때는 전압이 없어요.

제가 받는 느낌은 부드럽고 유연합니다.

단추를 누르면 전압이 가해지고 딱딱해지죠.

그러면 저는 의족을 조정하기가 훨씬 쉬워집니다.

저희는 외골격도 만들었는데요.

이 외골격은 강한 충격과 기능 저하를 방지하도록 작동부의 정확한 영역에서 굳어지거나 부드러워집니다.

미래에는 우리 모두가 달리기 같은 일상적인 활동을 할 때, 이런 외골격을 착용하게 될 겁니다.

그 다음은 역학적 인터페이스인데요.

어떻게 저의 의족이 살아있는 팔다리 처럼 움직일까요?

MIT의 제 실험실에서는 정상적인 몸 상태를 가진 사람들이

어떻게 서거나 걷고, 뛰는지에 대한 연구를 합니다.

근육이 하는 일, 그리고 척수에 의해 근육이 어떻게 제어되는지 같은 것들이죠.

기초 과학이 저희가 하는 일에 동기를 부여합니다.

저희는 생체 공학적 발목, 무릎, 엉덩이 같은 것을 만듭니다.

몸의 모든 부분을 만드는거죠.

제가 착용하는 생체 공학적 의수족은 BiOM 이라고 불립니다.

이런 장치는 거의 1,000명의 환자에 착용되었고

그 중에 400명은 부상을 입은 미군 병사들이었어요.

그건 어떻게 작동할까요? 

컴퓨터로 제어되는 발뒤꿈치에서 지면과 부딪히는 팔다리의 충격을 장치가 약화시키도록 장치가 딱딱한 정도를 제어하죠.

그리고 중간 정도에서 생체 의족은 걸을 수 있는 정도까지 사람을 들어 올릴 수 있는 토크와 힘을 발휘합니다.

종아리 부근에서 힘줄이 작용하는 것과 비슷한 거에요. 

이 생체 공학적 추진력은 환자에게 임상적으로 매우 중요합니다.

왼편으로 생체 공학적 장치를 착용한 숙녀가 보입니다. --

오른쪽에는 그 숙녀가 수동적으로 작동하는 장치를 착용하고 있는데

이것은 정상적인 근육의 기능을 따라하지 못합니다. --

생체 공학적 장치가 누구나 할 수 있는 활동을 할 수 있게 합니다.

집안의 층계를 오르내리는 겁니다.

생체 공학은 대단한 운동 솜씨도 보여주죠.

이 남자 분은 로키산의 등산로를 뛰어오르고 있습니다.

이분은 스티브 마틴인데, 코미디언 말고요.

아프가니스탄에서 폭발로 인해 다리를 잃으셨어요.

똑같은 원리를 이용하여 저희는 원래 팔다리를 감싸고 있는 외골격 구조를 만들고 있습니다.

이 남자 분은 다리에 어떤 문제를 가지거나 장애가 있는게 아니고 

정상적인 분이지만 이런 외골격 장치를 착용하여 근육이 내는 것과 같은 토크와 힘을 냄으로써 

자기 자신의 근육은 사용하지 않은 채 힘을 내고 있는거죠.

이것은 인간의 보행을 실제로 증강한 역사상 첫번째 외골격 장치에요.

그를 통해 대사성 노력을 현저하게 줄일 수 있습니다.

그 증강력은 아주 대단해서 건강한 사람이 장치를 40분간 착용했다가 벗으면

자신의 원래 다리가 말도 안될 정도로 무겁고 거추장스럽게 느껴집니다.

우리는 우리 몸에 부착된 기계가 우리 자신을 더 강하고 빠르고 효율적으로 만들어 주는 시대를 시작하고 있습니다.

전기적 인터페이스로 가보죠. 

제 생체 공학적 의족이 신경 체계와 어떻게 소통할까요?

남아있는 제 다리 전체는 근육의 전기 신호를 측정하는 전극으로 뒤덮혀 있습니다.

그걸 통해 생체 공학적 의족과 소통을 하죠.

그래서 제가 가상의 다리를 움직이려고 생각하면 로봇이 그런 움직임의 욕구를 찾아냅니다.

이 도표는 기본적으로 생체 공학적 의수족이 어떻게 제어되는지 보여줍니다.

없어진 원래의 수족을 모델화 합니다.

저희는 반사신경이 어떻게 일어나는지, 

척수의 반사신경이 근육을 어떻게 제어하는지 알아내어 

그런 능력을 생체 공학적 의수족의 칩 안에 내장시켰습니다.

그 당시 저희가 했던 것은 반사신경의 민감도와 모델화한 척수의 반사신경을 신경 신호에 맞춰 조절하는 것입니다.

그래서 제 의족 안의 근육을 쉬게 하면 토크나 힘을 거의 받지 않아요. 

하지만 제가 근육을 더 사용할수록 제가 받는 토크는 더 커지고 저는 심지어 뛸 수도 있습니다.

신경 제어를 받아 뛰는 행동을 처음으로 보여드린 겁니다. 

기분이 최고죠.

(박수)

저희는 한 단계 더 나아가고 싶었습니다.

저희는 실제로 인간과 생체 공학적 의수족 사이의 고리를 완전히 없애고자 합니다.

저희는 신경, 잘라진 신경을 마이크로 채널을 관통해 성장시키는 실험을 하고 있습니다.

채널의 반대 편에는 신경이 피부 세포와 근육 세포를 연결합니다.

이동에 사용되는 채널에서는 사람이 어떻게 움직이고자 하는지 의도를 감지합니다.

그 신호가 무선으로 생체 공학적 의족에 전달되면 그 안에 있는 센서가

바로 옆에 있는 감지 채널안에서 자극으로 변환해줍니다.

이것이 완전히 개발되어 사람에게 사용되면 

저 같은 사람은 진짜 팔다리 같은 인조 팔다리를 갖게 될 뿐 아니라

궁극적으로는 진짜 팔다리 같은 감각도 갖게 됩니다.

이 영상은 리사 말렛이 두 개의 생체 공학적 의족을 착용한 직후에 촬영한 겁니다.

정말로 생체 공학은 사람들의 삶에 엄청난 차이를 만들어내고 있습니다.

(영상) 

리사 말렛: 세상에.

이런, 세상에, 믿을 수가 없어.

진짜 다리를 가진거 같아.

뛰지 마.

남자: 이제 한번 뛰어도 보고

위로 걸어가봐.

걸어 올라가면서 발끝으로도 딛어봐.

평지에서 걷는 것 처럼 말이야.

경사로를 걸어 올라가 봐.

리사 말렛: 세상에.

남자: 위로 밀어 올려지나?

리사 말렛: 그럼! 난 정말 -- 말로 표현이 안돼.

남자: 정말 위로 올라가는데.

휴 허: 다음 주에 저는 센터를 방문합니다.

(박수)

감사합니다.

감사합니다. 

다음 주에 저는 메디케어, 메디케이드 센터를 방문합니다.

저는 센터를 설득하여 적절한 코드와 비용을 할당 받으려고 합니다.

그래서 이런 기술을 필요로 하는 사람들에게 사용될 수 있기를 바랍니다.

(박수)

감사합니다.

제대로 평가되지 않았지만, 세계 인구의 반 이상이 어떤 형태든 

인지적이거나, 감정적, 감각 관련이거나 이동과 관련한 문제로 고통받습니다.

하지만 기술 부족의 이유로 너무 많은 상황이 장애와 빈약한 삶의 질을 초래합니다.

생체 기능을 기본적 수준에서 유지하는 것은 인권의 일부이어야만 합니다.

모든 사람들은 원하기만 하면 장애없는 삶을 살 권리가 있습니다. --

심각한 우울증 없이 살 권리, 사랑하는 사람을 볼 수 있는 권리, 시각 장애인의 경우에는 말이죠;

혹은 사지 장애가 있거나 절단을 겪은 사람들은 걷거나 춤출 수 있는 권리 등이죠.

사회가 인간에게는 장애가 있을 수 없다는 전제를 받아들인다면 이러한 인권은 달성될 수 있습니다.

사람은 절대로 좌절하지 않습니다.

우리가 이룬 환경과 기술은 부서지기도 하고 장애가 발생하기도 하지만 

우리 인간은 한계를 받아들일 필요가 없습니다.

우리는 기술적인 혁신을 통해 장애를 극복할 수 있습니다.

실제로 금세기에 생체 공학의 발전을 통하여 

우리는 증강된 인간의 경험을 할 수 있는 기술적 기반을 갖추었습니다.

그리고 우리는 장애를 종식시킬 겁니다.

한 가지 이야기를 더하고 강연을 마치도록 하겠습니다.

아주 아름다운 이야깁니다.

아드리안 해스렛-데이비스의 이야기입니다.

아드리안은 보스톤 테러 사건에서 왼쪽 다리를 잃었습니다.

저는 이 사진을 찍을 즈음에 스폴딩 재활병원에서 아드리안을 만났죠.

아드리안은 무도회 댄서였습니다.

아드리안은 춤으로 숨을 쉬고 살아간다고 표현합니다. 

그것은 그녀의 예술 형태에요.

보스톤 테러 사건에서 다리를 잃은 후에 그녀는 자연스레 다시 춤을 추고 싶어했습니다.

그녀를 만나 제 차로 집에 데려다 주고나서 저는 혼자 생각했죠. 나는 MIT의 교수다.

자원도 있으니 그녀에게 의족을 만들어 주어 그녀의 삶인 춤으로 되돌아 갈 수 있도록 해주자고 생각했죠.

저는 의족과 로봇공학, 기계 학습, 생체기계학 전문가인 MIT의 과학자를 초청하여 200일 이상의 연구를 거쳐 춤에 대해 연구했습니다.

저희는 정상적인 댄서를 초청하여 

그들이 어떻게 움직이는지 그리고 무대에서 어떤 힘을 사용하는지 연구하여 

그 자료를 가져다 춤의 기본 원리와 유연한 춤의 능력에 적용하여 

그 지식을 생체 공학적 의족에 내장시켰습니다.

생체 공학은 사람을 강하고 빠르게만 만드는 것이 아닙니다.

우리의 표현 방법, 인간성도 전자기계에 장착할 수 있습니다.

보스톤 테러 사건의 폭발 사이에는 3.5초가 있었어요.

3.5초 만에 비열한 범죄자는 아드리안을 춤의 무대에서 끌어내렸어요.

200일이 걸려 우리는 그녀를 다시 무대로 보냈습니다.

우리는 폭력적 행동에 겁내지도 않을 것이고 주저 앉거나, 정복되거나, 멈추지도 않을 것입니다.

(박수)

신사 숙녀 여러분,

아드리안 해스렛-디이비스를 소개합니다.

이것은 그 사건 이후 그녀의 첫번째 무대입니다.

그녀는 크리스티안 라이트너와 함께 춤추겠습니다.

(박수)

(음악: 엔리크 이그레시아스 연주의 "링 마이 벨(Ring mt bell")

(박수)

신사 숙녀 여러분,

연구 팀원들인

엘리엇 라우즈, 네이썬 빌라가레이-카스키 입니다.

엘리엇! 네이썬!

(박수)

번역: K Bang 

검토: Jihyeon J. Kim