STEAM R&E 연구결과보고서
(소프트로봇을 이용한 목의 통증 저하에 대한 연구)
2017. 11. 30.
분당중앙고등학교
< 연구 결과요약서 >
과 제 명 연구목표
연구내용
연구내용
⑨ 베개와 회로도를 연결
연구성과
주요어
< 연구 결과보고서 >
1. 개요
□ 연구목적
1. 연구의 필요성
소프트 로봇 기술은 기존의 딱딱한 재질의 로봇과 달리 부드러운 재료를 사용하고 움직임에 자유도가 높아 요즘 큰 주목을 받고 있는 분야이다. 유연한 피부와 근육을 가진 인간과 함께 움직 이고 생활하는 데는 기존의 금속 재질의 로봇보다 유리하다는 소프트 로봇의 활용 분야를 생각해 보던 중 차별화된 재질을 이용하기로 생각해 보았다. 여러 차례 브레인스토밍과 회의를 한 결과 실 생활에서 이용 가능한 의료용 재활기구에 소프트 로봇 기술을 적용하면 좋겠다는 결론을 얻었다 (그림 1).
그림 1. 소프트 로봇 기술 응용가능 분야들을 조사함. (브레인스토밍 결과)
의료용 재활 기구가 사용되면 좋을 분야를 찾는 아이디어 회의에서 최근 노트북, 스마트폰 등 각 종 전자기기의 사용이 늘어나면서 목이 아픈 사람들이 많다는 것을 주목하였다. 우리나라 목 디스크 환 자가 스마트폰 사용으로 인해 약 86만 명으로 최근 5년간 급증하고 있다고 한다. (연합뉴스 2016. 6.
19. “눈만 뜨면 스마트폰…목 디스크 환자 5년 새 24% 늘어”). 보통 목은 디스크가 오랜 기간 변형 되거나 사고로 다치는 경우가 많은데 최근에는 특히 젊은 세대의 목디스크 발병률이 늘어나고 있는 추 세이다. 컴퓨터 작업량이 많은 회사원, 연구원, 웹툰 작가 등 많은 직업들 또한 많아지고 있고 거의 대 부분의 사람들이 스마트폰을 사용하는 요즘, 20~30대의 발병률이 급증하고 있다 (그림 2).
그림 2. 2007년부터 2011년까지 연령대별 목디스크 발병 증가율 (출처: 국민건강보험공단) 그림 3을 보면 왼쪽은 목디스크로 인해 일자목이 되어서 신경이 눌리게 된 사진이다. 오른쪽 의 정상 목의 사진과 비교해 보면 확연한 차이가 난다. 목디스크로 인한 통증은 일상생활 전반에 삶의 질을 떨어뜨리게 되며 특히 수면시에 목이 체중 등으로 인한 압력을 받게 되면서 더 심한 고 통을 느끼게 된다. 미래에는 이러한 스마트 기기들이 더 많이 사용될 것이기 때문에 환자의 수도 더 증가할 것이다.
그림 3. 목디스크환자와 정상인의 X-ray 비교사진
목디스크 까지는 아니더라도 장시간 앉은 자세로 책을 읽는 학생, 회사원 등 도 나쁜 자세로 인한 근육 뭉침, 목 결림 등 목 통증을 가지고 생활하게 된다. 시중에 목통증에 효과가 있는 베개가 많지만, 개인의 신체적 특성을 고려하지 않은 너무 일반적인 베개의 높이, 사이즈 등으로 인해서 오 히려 더 불편함을 느끼는 경우가 많다. 병원에서 파는 전문적인 목디스크 베개들도 이 단점을 피해 갈 수 없으며 가격이 매우 비싸 여러 베개를 다양하게 이용해 보기에도 어려움이 있다. 이러한 기존 베개들의 단점을 보완하기 위해서는 개인의 목 형태에 알맞게 맞춰질 수 있는 재료를 선택해 베개 를 제작해야 할 필요가 있다. 특히 우리 팀원 중에서 목이 아픈 사람이 있어서 기존에 있는 여러 목 받침대가 잘 때 굉장히 불편하고 통풍도 되지 않아 힘들었던 경험을 나누어 목을 재활하는 연구의 필요성을 더 느낄 수 있었다.
2. 연구의 목적
위의 문제점들을 해결하기 위해 우리는 소프트로봇을 어떻게 베개로 활용할지 생각해 보다가 안마의자가 작동되는 원리와 연결시켜 보았다. 개인의 신체적 특성에 알맞게 공기가 부풀어 오르는 원리를 이용하기로 했다. 이러한 소프트 로봇의 차별화된 재질과 부드러운 움직임을 활용해서 베개 를 제작한다면 저렴한 비용으로 큰 치료 효과를 볼 수 있을 것이다.
공기주머니에 공기를 넣어 목 부위에 맞게 조정을 해서 자신의 목 상태와 신체적 조건에 적당 한 통증저하에 효과가 있는 베개를 제작한다면 기존 베개의 단점을 보완할 수 있을 것이다. 들어가 는 공기량의 비율로 조정되는 원리로 작동되기 때문에 전력 또한 크게 소모되지 않도록 만들고자 한다. 이 로봇베개가 실현되어 된다면 우리나라 뿐 아니라 세계의 목 환자들에게 잠잘 때뿐만 아니 라, 목의 모양을 바꾸어 평상시에도 고통을 줄여줄 수 있을 것으로 예상된다. 본 연구에서는 소프 트 로봇을 목 디스크 및 목통증에 효과가 있는 맞춤형 베개장치로 만들고 소프트 로봇의 장점과 치 료한 결과를 설문을 통해 보이는 것을 연구의 목적으로 한다.
□ 연구범위
○ 베개에 들어갈 공기주머니를 만들기 위해 CAD(computer aided design)와 3D프린터로 공기주머 니 몰드를 만들었다. 이 몰드에 PDMS 재료를 부어 유연한 공기주머니 3개를 베개로 만들었다. 공기주 머니안의 공기는 전동펌프를 사용하여 불어넣는다. 공기주머니를 부풀어 오르게 하기 위하여 유량 조절기를 사용하였고, 유량 조절은 아두이노를 사용하여 원하는 시간에 세 개의 공기주머니를 각각 다르게 부풀어 오르도록 제어하였다. 마지막으로 완성된 소프트로봇 베개를 목이 아픈 사람들에게 사용하여 그 성능을 평가하였다.
2. 연구 수행 내용
□ 이론적 배경 및 선행 연구
그림 4. 이탈리아 피사 대학의 문어 로봇
그림 5. 미국 하버드 대학의 날갯짓 로봇 벌
그림 6. 미국 하버드 대학의 불가사리 로봇
그림 4-6은 대표적인 소프트로봇의 예이며 실리콘, 고무 등 부드러운 재질로 이루어져서 금속으로 만들어진 일반적인 로봇보다 움직임이 유연하고 외부 충격에 강해 다양한 환경에서 활용할 수 있다. 소프트 로봇은 2010년경 미국과 유럽에서 시작되고 최근 세계적으로 중요한 분야로 연구가 활발하다. 소프트 로봇 기술은 딱딱한 재료로 만들어진 기존의 로봇과 달리 부드러운 재료를 사용하고 관절이 없이 작동되어 인체에 적용하기에 우수한 특징을 가지고 있다. 소프트 로봇은 고무재질의 비닐에 공기를 주입한 것이기에 사람마다 목의 형태가 달라도 각각의 목 형태에 맞게 고무 재질의 비닐이 부풀어 오른다는 것이 보통의 안마베개와의 차별화된 점이며, 무엇보다 소프트로봇은 모터나 기계를 사용하지 않고 대부분의 몸체를 유연한 플라스틱으로 만들어 제작비용이 적기 때문에 실용적 이다.
소프트로봇에 대한 연구는 2005년 이전에는 공기압력을 사용한 인공 근육 등의 연구개발이 학술 연구용으로 진행되었고, 오늘날에는 Nature 지에서 주목할 만한 기술로 소프트로봇이 선정되었 다. 우리나라의 연구 수준은 미국, 유럽, 일본, 캐나다 등 소프트 로봇 선진국에 비하면 아직은 초기 단계에 머물고 있는 상황이다. 또한 소프트 로봇을 이용한 개인 맞춤형 베개를 찾아보았지만 찾을 수가 없었다. 따라서 목 디스크 치료를 위한 소프트로봇 사용 베개는 우리 팀의 베개가 최초라고 할 수 있다.
□ 연구주제의 선정
○ 요즘 주목받고 있는 소프트 로봇 기술을 어떻게 활용하면 좋을지 생각해 보던 중 차별화된 재질을 이용할 수 있는 분야를 생각해 보았는데 생활 재활기구에 적용해보고 싶다는 생각을 하게 되었다. 최근 노트북, 스마트폰 등 각종 전자기기의 사용이 늘어나면서 젊은 세대의 목디스크 발병률이 늘어나고 있다. 목디스크로 인한 통증은 일상생활에 영향을 주게 되는데 특히 수면시에는 목에 압력이 가해지면서 더욱더 심한 통증을 느끼게 된다 그러므로 목디스크 뿐만 아니라 책상에 앉아 고개를 숙이고 있는 시간이 많은 학생들과 회사원들이 근육 뭉침, 목 결림 등 목 통증을 가지고 생활한다. 시중에 목통증에 효과가 있는 베개가 많지만 높이, 사이즈 등이 정해져 있어서 오히려 더 불편함을 느끼는 경우가 많다. 따라서 본 연구 목표는 목 통증을 소프트 로봇 베개를 이용해 완화시키는 것이다.
□ 연구 방법
1. 실험에 사용된 재료 및 기기
아래 그림 7은 본 실험에 사용된 재료 및 기기의 사진이다.
(a) DragonSkin 수지 (b) DC잭케이블 (c) 24V 어뎁터
(d)에어 호스 외경(mm): 4 & 6 (e) 연질 실리콘 튜브4 & 6
(f) EcoFlex 수지 (g)마하링크 파워케이블 (h) 아두이노 kit
(i) 에어 호스외경 (mm):6,4 & 12,4
그림 7. 실험과 제작에 사용된 재료들 사진과 목록 2. 실험 방법
목을 치료하기 위해 목의 모양을 곡선으로 만들어 주는 기본 베개 모양이 필요하다. 여기에 공기가 베개 안으로 압력으로 주어서 목의 모양을 길게 늘어나게 한다 (그림 8). 이를 반복하 면 짓눌린 디스크 연골이 원래 있던 목뼈사이로 다시 들어갈 수 있는 공간이 목뼈 사이에 생 기게 된다. 이러한 원리로 목통증을 줄이는 베개를 만들고 성능을 평가하려고 한다.
그림 8. 소프트 로봇을 사용한 목 마사지 장치를 작동할 때 목이 힘을 받는 위치 디자인
그림 9. 소프트 로봇 기술을 사용해 얇은 플라스틱 재료가 공기로 부풀어 오 르면서 동시에 회전하는 장치 (출처: 유고 로드리그 )
기존 소프트로봇에 관한 논문들을 참고하여 지도 교수님을 방문해 소프트로봇기술을 어떻게 활용하면 좋을지 논의해 보고 인체 구조에 알맞게 어떤 디자인으로 설계해야 할지 고민해 보 았다 (그림 9).
123d design Arduino Sketchup 2017
그림 10. 연구활동에 사용된 소프트웨어 프로그램
베개에 들어갈 공기주머니를 만들기 위해 공기주머니의 몰드를 123D design, 그리고 Sketchup 2017이라는 3D디자인 프로그램으로 디자인하였다 (그림 10). 공기 주머니를 안에 넣 을 베개 본체의 몰드는 진흙을 이용해 직육면체 모양으로 직접 만들었다. 이후 베개를 작동시 키기 위한 전기회로를 만들고 Arduino 프로그램을 이용하여 작동 소프트웨어를 제작하였다.
소프트 베개를 만드는 방법은 아래 그림 11과 같이 순서대로 나열되어 있다.
그림 11. 아이스크림 (설레임)통으로 제작한 베개의모형과 제작과정
구매한 재료를 바로 써보기 전에, 어떠한 모양으로 베개를 만들지에 대한 구상을 손쉽 게 하기 위하여 전기 회로 대신 수수깡을, 공기 주머니 대신 ‘설레임’(아이스크림)통을 이용 하였다.
그림 12. 공기주머니 몰드 디자인과 3D 프린터로 제작된 몰드 사진
그 다음에는 3D 프린터기를 이용하여 공기주머니를 제작하기 위해 위의 그림12와 같이 10cmx10cm 몰드를 제작하였다.
그림 13. 베개를 이루는 재료의 구성
베개의 높이감을 위해서 공기주머니만으로는 부족하기 때문에 라텍스 층위에 PDMS (소프트 플라스틱:Polydimethylsiloxane)을 올렸다. 몰드를 이용하여 만든 공기주머니를 그 위에 부착하고 본체가 파손되는 것을 방지하기 위하여 위의 그림과 같이 공기방울층(뾱뾱이)으로 포 장하였다 (그림 13).
그림 14. 펌프와 베개의 연결구조
아두이노 코딩을 하기전에 어떤 구조로 연결하고 어떤 원리로 작동시킬지에 관해 수동 으로 펌프와 베개를 연결해 작동시켜 보았다 (그림 14).
그림 15. 압력차에 따른 주머니의 팽창 정도에 대한 실험
□ 연구 활동 및 과정
완성된 베개를 가지고 지도교수님이 계신 성균관대학교 연구실로 찾아가 펌프 회로를 설계하고, 펌프회로와 베개를 연결하여 베개의 공기주머니가 펌프의 압력차에 따라 제대로 부 풀어 오르는지 확인하는 실험을 위의 그림과 같이 하였다. 아두이노 프로그래밍을 사용하기 전 이었기에 수동으로 스위치를 조정하여 압력차를 주었다. 위의 그림에서 보이는 바와 같이 가운 데 공기주머니는 목의 가운데를 지지하므로 양끝 두 주머니보다 더 많이 부풀게 하는 등 베개 의 공기 주머니가 제대로 작동하는 것을 확인하였다 (그림 15).
그림 16. 공기주머니가 버틸 수 있는 최대의 무게 측정
제작된 베개를 이용하여 사람의 목 부분의 무게와 어께 무게로 오는 압력을 버틸 수 있는지 를 위의 그림과 같이 실험해 보았다. 그 결과, 주로 무게가 쏠리는 가운데 주머니는 2kg가량 버틸 수 있었고 양쪽 주머니는 그의 반인 1kg 가량을 버틸 수 있었다. 그러므로 목베개로써 견 딜 수 있는 하중이 충분하다는 것을 확인하였다 (그림 16).
그림 17. 아두이노 수동 제작
성균관대학교 실험실을 방문하여 아두이노 프로그래밍을 하기 전 수동으로 펌프를 동작하는 방법을 위의 그림과 같이 교수님 및 대학원생으로부터 배웠다 (그림 17).
그림 18. 아두이노 프로그래밍
그림 19. 공기 압력 제어 연구
그림 20. 베개와 회로도를 연결
위의 세 개의 그림들은 순서대로 목베개를 동작하기 위하여 펌프를 조절하는 데 쓰이 는 아두이노 코딩, 본 소프트 로봇 베개의 공기 압력 제어 모식도 그리고 베개와 회로도를 연 결하여 최종 시작품을 만든 그림이다.
그림 21. 베개 체험자 설문조사지와 베개 만족도 조사 결과
우리학교 학생들 중 목에 통증을 가지고 살아가는 학생 28명을 대상으로 완성된 베개 를 사용하게 한 뒤에 설문조사를 하였다. 설문조사의 “베개의 개개인의 신체 높이, 너비 등에 알맞게 맞춰질 수 있나?” 라는 부분에서 아주 많이 21퍼센트, 많이 57퍼센트 보통 21퍼센트로 평균적으로 베개가 개개인의 신체에 알맞게 형태를 변화한다는 긍정적인 결과를 얻었다.
3. 연구 결과 및 시사점
□ 연구 결과
점차 소프트 로봇에 대한 관심과 연구가 늘어나면서 소프트 로봇의 활동 범위 또한 늘 어나고 있다. 다양한 분야 중에서 의료 재활 분야를 선택하게 되었고 목의 통증을 완화시켜 줄 방법에 대해 모색하기 시작했다. 결과적으로 소프트 로봇을 이용하여 부드럽게 움직이는 베개 를 제작하였고 그 베개 내부의 각각3개의 공기주머니에 공기가 들어가게 되면 공기 주머니가 부풀면서 목을 U자로 만들어 줌으로서 일자 목에 대한 통증을 줄여줄 수 있도록 도움을 주고 자 하였다. 그에 더불어서 아두이노 코딩을 이용하여 자동으로 공기 주머니에 공기가 들어가게 되어, 자신이 직접 조작할 필요 없이 잠을 자면서도 목의 형태를 유지시켜주므로 목의 통증이 개선 될 수 있도록 하였다.
소프트로봇을 이용하여 사용자의 신체에 알맞게 자동으로 작동이 되는 목 통증 완화 베개가 완성되었다. 이 베개를 이용하는 동안 가운데의 공기주머니가 지속적으로 상하 움직임 을 반복하면서 목을 U자 형태로 유지시켜주었다. 목이 일자형에서 U자형으로 유지가 되어 목
의 통증을 완화시키고 바른 자세를 만들어 줌으로서 계속되는 목의 통증을 줄여주었다. 나머지 양쪽의 공기주머니는 사용자의 머리가 옆으로 돌아갈 때 바르게 누울 수 있도록 부풀어 오른 다. 수면 중 무의식적인 신체 불균형을 똑바로 잡아주는 역할을 해주는 베개인 것이다. 현재 총 3개의 공기 주머니가 베개 내부에 들어가 있고 각각의 공기 주머니에 공기가 들어가 부풀 어 오르는 형태이다. 또한 아두이노 코딩을 사용하여 자신이 원하는 모습으로 베개를 움직일 수 있게 되었다.
베개의 장점으로 첫 번째는 다른 단순한 마사지용 로봇과는 확연히 차이가 드러나는 점이 있다는 것인데 바로 소프트로봇의 PDMS(폴리디메틸실록산) 재질을 사용해야지만 가능한 개개인의 신체에 알맞게 베개의 모양이 변한다는 점이고, 이는 설문조사를 통해 긍정적인 반응 을 통하여 증명되었다. 궁극적으로 이 베개를 사용하는 모든 사람들의 신체에 알맞게 작동되어 야 하는 것이기 때문에 PDMS재질의 필요성과 중요성이 크다.
두 번째로는 낮은 비용으로 소프트로봇 기술을 사용한 베개를 제작하였다는 것이다.
이 소프트 로봇 베개와 비슷한 원리로 작동되지만 가격이 상당히 비싸기 때문에 쉽게 구매하여 사용하기 어려운 안마의자와는 확실히 차별화된 점이다. 가격차이는 물건의
품질만큼이나 중요한 요소이다. 사람들은 비슷한 성능을 가진 물건을 선택할 때, 혹은 품질이 조금이나마 차이가 난다고 해도 저렴한 물건을 선호한다. 저렴하게 만들어졌다고 절대 효과가 안마의자에 비해 떨어지는 것이 아니다. 효과가 좋으면서도 가격이 얼마 들지 않게 하는 것이 애초에 잡았던 목표였기 때문에 베개를 만드는 과정에서 이를 실제 이행할 수 있었다.
그림 21. 안마의자 (출처: 바디프렌드)
□ 시사점
제작한 베개를 사용해본 분당중앙고등학교 학생 28명을 대상으로 설문을 해본 결과, 보완할 점으로 나온 부분을 개선할 방안을 생각해 보았다. 우선 공기주머니의 기압이 약하다 는 점은 수면용 베개이기 때문에 기압이 너무 세게 가동될 경우 잠들기 힘들지만 사용자가 원한다면 원하는 만큼 아두이노 코딩에서 기압을 조정하면 된다. 두 번째로는 모터의 잡음소 리가 다소 크다는 것이다. 베개가 상용화 된다면 조금 더 비싼 모터를 사용해서 해결할 수
있다. 세 번째로는 전기 회로의 부피가 크다는 점이다. 이점도 마찬가지로 상용화가 된다면 회로도를 조그만 판으로 구워서 제작할 수 있다.
우리가 주목한 이 베개의 단점 첫 번째로는 잠을 잘 동안 계속 가동해야 한다는 점 이다. 창의재단 최종발표에서도 개선점으로 심사위원 교수님들께서 제시해주신 점이기도 하 다. 자는 동안 계속 기계를 가동한다면 소리에 예민한 분들이 잠들기에 힘들 수 있고 전기세 도 부담이 될 수 있다. 이점을 해결하기 위한 가장 좋은 방법은 공기주머니에 공기를 넣는 것 대신 액체 실리콘이나 물을 이용하는 것이다. 이렇게 되면 개인 목에 알맞게 부풀어 올린 상태로 주입구를 막으면 한 번만 작동해서 유지시킬 수 있기 때문에 좀 더 효율적이다. 또한 액체 재료는 온도조절이 용이하기 때문에 사용자가 원하는 온도로 맞출 수 있다는 장점이 있다.
두 번째 단점으로는 양쪽주머니의 역할이 불분명 했다는 점이다. 공기주머니 3개는 좁 은 목 부위에 맞게 조절되기에는 다소 투박했다. 이점은 공기주머니를 얇게 만들어 개수를 늘리면 해결된다. 하지만 그만큼 제어할 곳도 많아지고 경우의 수가 늘어나기 때문에 아두이 노 코딩이 좀 더 복잡해진다는 단점이 있다.
4. 홍보 및 사후 활용
우린 이 연구가 끝나더라도 앞으로도 계속 목통증 완화 베개를 제작하는데 노력할 것이고 반복된 실험과 설문을 통해 좀 더 전문적인 베개를 제작하도록 노력할 것이다. 많은 실패와 거듭된 도전으로 베개를 만들어 우리 팀의 최종 목적인 ‘특허 등록하기‘를 수행할 것이다. 우리 팀의 사전조사에 의하면, 물론, 특허 등록이 쉬운 일은 아니지만, 아직까지는 PDMS 재료를 사용한 소프트로 봇 베개는 없으므로, 앞으로 3년 안에 소프트로봇 베개를 다른 팀에서 만들지 않는 이상, 앞으로 발전할 우리 팀의 소프트로봇 베개가 특허 등록이 되는 것이 어렵지 않을 것이라 생각된다.
5. 참고문헌
1. 허진강, 양영애 (2006). 만성 목 통증 환자의 인간공학 베개 효과 - 한림대학교 의과대학 재활의학과/
인제대학교 의생명공학과 작업치료과 논문집, pp.17-25.
2. 연합뉴스 (2016). 2016. 6. 19., 눈만 뜨면 스마트폰…목 디스크 환자 5년 새 24% 늘dj.
3. Hugo Rodridue (2017). 투고중인 논문
