박 상 백 고려대학교 기계공학과 박사과정 ㅣ e-mail : [email protected] 채 수 원 고려대학교 기계공학부 교수 ㅣ e-mail : [email protected]
이 글에서는 디지털 인체모델, 특히 유한요소 인체 모델을 이용하여 제품 설계 시 인체 맞춤형 설계를 위한 다양한 기 존 연구들과 최근 연구 동향에 대하여 설명한다.
최근 들어 삶의 질과 건강에 대한 관심이 높아지면서 인체 맞춤형 제품 설계에 대한 필요성이 높아진 상태 다. 인체는 실생활에서 다양한 제품과 상호작용을 하지 만 제품 설계를 위해 실험을 통해 인체와 제품 간의 상 호작용을 평가하는 것은 위험성과 비용 때문에 많은 제 약이 따른다. 디지털 인체 모델은 실험을 대체하여 다 양한 제품과의 물리적 상호작용을 정량적으로 평가하 기 위하여 만들어졌다.
디지털 인체 모델은 인체의 물리적인 거동을 평가하 기 위해 만들어졌기 때문에 주로 인체 근골격계 (musculoskeletal system)를 대상으로 연구되고 있다.
인체 근골격계는 뼈, 연골, 근육, 건, 인대 등 다양한 요 소로 이루어진 복잡한 계(system)이다. 인체모델은 연 구 목적에 따라 다양한 형태를 취하고 있으며 크게 강 체 모델(rigid body model)과 연속체인 유한요소 모델 (finite element model)로 구분할 수 있다. 이 글에서는 인체 근골격계를 모사하기 위해 만들어진 인체모델들 의 특징 및 한계를 살펴보고 이를 극복하기 위한 최근 연구 동향을 간단히 소개한다.
동역학기반 강체 인체모델
강체 모델은 변형을 고려하지 않고 인체의 움직임을 시뮬레이션하기 위해 만들어졌다. 이 모델들은 뼈 구조
를 강체 세그먼트(rigid body segment)로 구성하고 이 들 사이의 관절을 기계적 조인트(joint - ball-socket joint, hinge joint, universal joint 등)로 정의한다. 근육 의 경우 일반적으로 Hill-type 모델을 사용하여 시뮬레 이션 한다(Zajac F E. 1989). 이때 인체 동작에 관한 해 석은 순동역학(forward dynamics)와 역동역학(inverse dynamics) 두 가지 형태로 진행된다. 순동역학은 실험 에서 획득한 근육의 활성화도 데이터를 이용하여 각 관 절의 모멘트를 구해 각 세그먼트의 움직임을 구하는 것 이며, 반대로 역동역학을 통해서는 모션캡처(motion capture) 등을 이용하여 얻은 각 세그먼트의 모션 데이 터를 통해 관절의 모멘트 혹은 근육 힘 또는 활성화도 를 얻을 수 있다.
강체 모델은 일반적으로 인체의 전체적인 거동 (overall behavior)을 평가하는데 적합하며, 의료장비, 의학, 스포츠, 재활, 작업시뮬레이션 등 사람의 움직임 과 관련된 다양한 응용 연구가 이루어지고 있다. 의료 분야에서는 대표적으로 외과적 수술로 인대나 건 이식 수술, 인공관절 치환술 등으로 인해 변화된 근육 모멘 트 팔(moment arm), 관절 움직임 범위(range of motion) 등을 분석함으로써 수술 전에 미리 그 효과를 예측하는 연구들이 진행되고 있다(Ling, H. Y et al.
2009). 또한 재활 의학 분야에서는 신경 손상이 있는 환
자의 보행 동작 중 일반인과는 다른 근육 활성도로 인
한 움직임의 차이를 분석하고 재활 운동 과정에 적용하 는 연구들도 진행되고 있다(Steele et al. 2013). 스포츠 분야에서는 달리기, 제자리 뛰기 등의 운동 능력 향상 을 위한 연구와 부상 메커니즘을 분석하는 연구들이 수 행되고 있다(Ross and Graham, 2011; Youkeyn K. Oh et al. 2012). MADYMO는 다물체 기반 해석 툴로 다양 한 디지털 인체 모델과 더미모델을 제공하고 있다. 더 미모델은 자동차 충돌에서 승객 또는 보행자의 상해를 분석하기 위해 광범위하게 사용되고 있으나 인체모델 은 사용 범위가 아직 미흡한 실정이다. 또한 SIMM, OpenSim, AnyBody, LifeMOD와 같이 인체의 동역학적 해석을 위한 소프트웨어 패키지들이 많이 개발되었다.
그러나 이러한 최근의 발전에도 불구하고 강체 인체 모델은 몇 가지 한계점을 가지고 있다. 가장 먼저 해부 학적 관절들이 기계적 조인트(mechanical joint)로 단순 화 되면서 실제 생체의 움직임을 정확히 모사할 수 없 다는 점이다. 또한 강체를 기반이기 때문에 실제 관절
그림 1인체모델을 활용한 골프 스윙시 척추체 움직임 평가 (Bae, T.S., 2014)
그림 3 MADYMO 더미 모델(위), 인체모델(아래) (TASS international)
그림 2다양한 동역학 해석용 인체 모델: (a) SIMM을 이용한 보행 분석; (b) Anybody를 이용한 운동기구 분석;
(c) Opensim을 이용한 달리기 운동 분석(Samuel et al. 2010); (d) LifeMOD를 이용한 스쿼트 운동 분석 (K.T., Luong 2011)
의 연조직(soft tissue) 및 골격계(skeletal system)의 변 형에 대한 깊이 있는 분석이 불가능하다.
유한요소기반 변형체 인체모델
유한요소법을 기반으로 한 인체모델은 강체 모델과 달리 인체 근골격계와 연조직의 변형을 모사할 수 있는 모델이다. 인체는 기본적으로 비선형 물성(non-linear material property)의 조직들로 이루어져 있으며 정형화 된 기 계 부 품 과 달 리 불 규 칙 한 형 상 (irregular geometry)을 가지고 있고 복잡한 경계조건(boundary condition)을 포함하고 있다. 그러므로 유한요소법은 인체의 기계적 거동을 해석하는 데 유용한 해석법이며 최근 많은 연구가 진행되고 있다.
유한요소 인체모델은 자동차 산업에서 많은 진전이 있었다. 대표적으로 도요타 자동차의 THUMS(Total HUman Model for safety)는 인체 근골격계뿐 아니라
내부 장기를 포함한 모델들로 자동차 충돌 시 기존 더 미모델을 대체할 목적으로 제작되었다. THUMS모델은 도요타 중앙 연구소(Toyota Central R&D LABS)에서 개 발되고 있다. 현재 자동차 산업에서 사용되는 더미 모 델은 인체를 단순화한 형태인 반면 THUMS모델은 인체 의 외형뿐 아니라 뼈, 근육, 인대, 건, 내부 장기를 포함 하여 실제 인체를 잘 반영하여 만들어졌다. 또한 MADYMO에서는 인체측정을 토대로 한 50분위 남성의 운전자 모델을 개발하였다(TASS HUMOS). 이 모델에 서는 주요 장기들이 다 포함되어있으며 이들은 외부환 경과의 접촉반응이 가능하도록 되어있다. 모델에서는 기구학적 조인트가 사용되었으며 동작 범위와 운동저 항 등이 비선형 스프링과 댐핑으로 표현되어 있다. 한 국의 IPS international에서 개발한 H-Model은 인체 각 부분이 모듈화 되어 있으며, ESI의 PamCrash에 탑재되 어 차량 충돌 해석에 사용된다.
다양한 국부 유한요소 인체모델
이외에도 국내외 많은 연구진들이 의학적 인간공학 적 목적의 유한요소 인체모델을 개발하고 있으며 주로 전신 인체 모델보다는 관심 부위의 모델을 위주로 연구 하고 있다. 대표적으로 경추-흉추-요추를 포함하는 척 주(spinal column)모델과 발-발목 복합체(foot-ankle complex)모델이 특히 활발히 연구되고 있다.
척추 분야는 척추 추간판 탈출증이나 척추 측만증과 같은 질환이 많이 발생하는 부분인 만큼 활발한 연구가 진행되어 왔다. 또한 척주는 척추체(vertebrae) 개수만 큼 많은 관절을 갖고 있기 때문에 인체 중에서도 가장 복잡한 부분으로 디지털 인체 모델을 활용한 연구가 오 래전부터 진행되어왔다. 초창기에는 척추체와 관절을 단순화하여 모델링한 척주모델로 척주의 틀어짐과 같 은 전체적인 변형을 연구하였으나 이후에는 추간판, 수 핵, 인대 등을 정교하게 모델링하고 척주에 하중이 가 해질 때 이들 구성요소의 역할에 대한 연구가 이루어졌
그림 4THUMS 모델: (왼쪽부터 차례대로) 미국 여성 5%tile 모델, 미국 남성 50%tile 모델, 미국 남성 95%tile 모 델, 외형뿐 아니라 내부 장기와 연조직이 모델링되어 있다.
다. 2000년대 중반에 동역학적 하중이 가해질 때의 척 추체의 응답 특성(dynamic response)에 대한 연구가 진 행되었다. 최근에는 각 연구 그룹별로 연구 목적에 맞 는 정교한 척추 모델을 개발하여 다양한 연구가 진행되 고 있다.(그림 5)
발은 26개의 복잡한 형상의 뼈와 인대, 족저근막과 같은 비선형 물성을 갖는 연조직으로 이루어진 복잡한
부위이며 다양한 신발이나 밑창(insole) 등에 많은 영향 을 받는다. 구조적인 복잡성으로 인해 발-발목 복합체 유한요소 모델을 이용한 연구가 예전부터 진행되어 왔 다. 대표적으로 Cheung 등은 3차원 의료영상을 기반으 로 정교한 모델을 구성하여 족저근막의 특성, 아킬레스 건 힘과 신발이 발 바닥의 연조직에 미치는 영향에 대 한 많은 연구를 진행하였다.(Cheung et al. 2008, 2013)
유한요소 인체 모델은 다양한 응용분야에서 사용되 고 있다. 그러나 변형과 반력의 관계식에 기반한 유한 요소 모델은 신경 신호에 따라 스스로 형상이 변하면서 힘을 내는 요소인 근육을 모사하는데 있어 더 많은 진 전이 필요하다. 이러한 이유로 유한요소법을 이용한 생 체역학 연구는 인체의 동작에 대한 해석에 아직 미치지 못하고 있다.
동적거동해석용 인체모델
최근 동적 해석이 가능하지만 생체 조직의 변형을 무 시한 강체 인체모델과 인체를 정교하게 모사했지만 동 적 해석이 어려운 유한요소 인체 모델을 접목하여 인체 동작 중의 생체내의 조직들의 거동을 분석하기 위한 다 양한 시도가 진행되고 있다. Qian 등은 먼저 3차원 모 션캡처 장비를 이용하여 보행 동작중의 발의 움직임을 얻고 역동역학 해석을 통해 관절의 모멘트를 구하였다.
이를 유한요소 모델에 하중 조건으로 적용하여 보행동 작에서 연조직의 응력을 분석한 연구를 수행하였다 (Qian et al. 2014). 정적인 상태만 해석했던 이전 연구 들과 달리 동작 중에 인체 세부 조직의 거동을 파악할 수 있다는 점에서 의미가 있다. 그러나 이 모델은 2차원 으로 형상이 지나치게 단순화 되었고, 많은 근육의 힘 을 관절에서의 하나의 모멘트 성분으로 단순화 하여 유 한요소 모델의 장점인 생체의 정교한 모사가 불가능하 다는 한계가 있다. 최근엔 3차원으로 정교하게 구성된 하체 모델을 이용하여 보행 동작 중의 무릎과 발목의 응력을 평가하는 연구가 진행되었다.(Chae et al. 2014)
그림 5다양한 척추 모델(Ayturk and Puttlitz, 2011, Kiapour et al., 2012a, Little et al., 2008, Liu et al., 2011, Park et al., 2013, Schmidt et al., 2012, Shirazi-Adl, 1994b and Zander et al., 2009)
그림 6정교한 유한요소 발 모델. 서있는 상태에서 생체 내 의 응력과 변형률을 분석할 수 있고 다양한 신발 디 자인에 사용된다(Cheung et al., 2013).
힐 타입 근육모델(hill-type muscle model)을 기반으 로 능동 요소가 포함된 유한요소 근육 모델을 만드는 시도도 많이 진행되고 있다. Ls-dyna의 SMFE모델이 대 표적인 사례로 근육 활성화시 형상 변화와 함께 액추에 이터 역할을 할 수 있도록 힘을 내는 요소가 개발 되었 다(Hedensrierna et al. 2008). 근육의 변형률을 구할 수 있고 주위의 뼈나 다른 근육과 접촉이 가능하다는 장점 이 있다. 하지만 이 또한 근육의 활성화도 데이터가 필 요하며 이는 역동역학 해석이나 근전도 실험 결과를 통 해 구할 수 있다.
이 밖에 인간공학(ergonomics) 분야에서 사용되는 인체 모델은 사람 동작을 분석하고 제품을 설계하는데 있어 많이 연구되어 왔다. 하지만 대부분 앞서 언급한 동역학 해석용 인체모델과 같이 강체로 이루어진 경우 가 많다. 최근 홋카이도 대학의 Satoshi Kanai 연구팀은 인간 공학에 사용되는 인체 손 모델에 자기공명영상 장 비를 이용하여 구성한 실제 사람의 피부를 모델링하고 손으로 다양한 제품을 잡을 때 피부의 변형이 가능하고 접촉압력을 정량적으로 평가할 수 있는 손 모델을 만들 었다. 이를 통해 자전거 손잡이를 잡을 때 그립감을 향 상시키는 연구를 진행하기도 했다.(그림 7)
유한요소 인체 모델은 정적인 상태에서 인체가 외부 환경과 상호작용할 때 마치 사체 실험과 같은 피동적인 거동을 분석하는 데에서 시작하였고, 현재도 정적인 해 석이 주를 이루고 있다. 생체와 비교하여 검증하는 것 이 불가능하고 인체의 연조직들의 특징을 잘 반영한 모 델일수록 해석의 복잡성과 난이도가 증가하기 때문에 동적해석을 하는데 많은 어려움이 있다. 그러나 앞서 언급한 SMFE와 같은 근육 모델이나 역동역학 해석을 접목하는 방식으로 점차 능동적인 인체의 모사가 가능 하도록 발전해 가고 있다. 머지않아 디지털 인체 모델 을 통하여 다양한 동작 중 인체 내 각 부분의 거동을 분 석할 수 있을 것으로 기대된다.
기계용어해설
와이어로 직조한 덩어리 카고메(WBK:Wire-wounded Bulk Kagome)
트러스 PCM을 제작하는 새로운 시도로서 3차원 공간상 에서 6방향으로 나선형 와이어로 조립된후 와이어 교차 부를 브레이징 등으로 고정하여 제작하는 방법.
와전류 브레이크(Eddy Current Brake)
전자기 소스와 전도성 재료의 상대적 운동이 발생할 때, 전도성 재료에 와전류가 발생하여 운동을 방해하는 자기 력이 발생함. 이 힘을 이용하여 속도를 줄이는 장치를 말 함.
그림 7자전거 손잡이를 잡을 때의 손 피부 변형과 접촉 압 력을 알아내기 위한 시뮬레이션(Yulai Xie et al.
2013)
