숨 쉬는 기계 대신, ‘부드러운 로봇’이 답일까?
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| 소프트 로봇 횡격막 보조장치 개념도. 유연한 공압 장치가 횡격막 위에 부착되어, 사람의 숨 쉬는 움직임을 감지해 들숨을 도와준다. 오른쪽에는 외부 제어 장치가 연결되어 있다. |
호흡은 너무도 당연해서 평소엔 그 중요성을 잊고 살지만, 폐를 움직이는 가장 핵심적인 근육이 바로 횡격막이라는 걸 아는 사람은 많지 않다. 횡격막은 들숨의 70%를 담당하며, 이 근육이 제대로 작동하지 않으면 숨 쉬는 것조차 외부 기계에 의존해야 한다. 문제는 기계호흡기라는 대안이 환자의 삶의 질을 현저히 떨어뜨린다는 데 있다.
말도 어렵고 불편하고, 심지어 부작용까지. 그래서 등장한 건 ‘소프트 로봇 횡격막 보조장치’라는 다소 생소한 이름의 새 기술이다. MIT를 중심으로 한 연구진은 기존 호흡 보조기기를 넘어, 횡격막 자체를 물리적으로 도와주는 방식으로 문제를 정면 돌파했다. 그것도 부드럽고 유연한 재질의 로봇을 통해서 말이다.
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‘숨 쉬는 로봇’은 어떻게 만들어졌을까?
이번 연구의 핵심은 크게 두 가지다.
첫째는 실제 환자 몸속에 넣을 수 있는 부드러운 로봇 장치,
둘째는 그 장치를 실험해볼 수 있는 ‘호흡 시뮬레이터’다.
연구진은 먼저 TPU(열가소성 폴리우레탄)로 만든 직물형 공압 액추에이터를 이용해, 횡격막에 부착 가능한 장치를 만들었다. 이 장치는 공기를 주입하면 반쯤 말린 상태에서 펴지며 횡격막을 아래로 눌러주는 힘을 낸다. 이 과정을 통해 호흡 시 생기는 복강과 흉강의 압력 차이를 회복시키는 것이다.
또 하나 중요한 요소는 '조절 기술'이다. 장치는 그저 힘만 주는 게 아니라, 환자가 숨을 들이마시려는 신호(흉막 압력의 변화)를 감지해 타이밍을 맞춰 작동한다. 이때 두 가지 제어 전략이 활용됐다.
- Setpoint 제어: 정해진 목표 압력까지 단순하게 도달하도록 돕는 방식
- Trajectory 제어: 실제 호흡 패턴에 맞춰 곡선 형태로 압력을 조절하는 방식
두 방식 모두 호흡 리듬에 맞춰 장치가 ‘자연스럽게’ 도와줄 수 있도록 설계되었다.
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‘가짜 횡격막’으로 진짜 실험을 하다
그렇다면 어떻게 이 장치가 제대로 작동하는지 확인할 수 있었을까? 바로 이때 등장하는 게 소프트 로봇 기반의 ‘호흡 시뮬레이터’다. 이 시뮬레이터는 실리콘으로 만든 인공 횡격막, 흉강과 복강 공간, 압력 센서, 움직임 센서 등을 탑재해 실제 사람의 호흡처럼 움직일 수 있다.
게다가 병적인 상태까지 재현 가능하다. 연구진은 정상적인 횡격막 움직임을 100%로 설정하고, 이를 25% 수준으로 줄이는 방식으로 '횡격막 기능 저하' 상태를 인위적으로 구현했다. 이 상태에서 소프트 로봇 장치를 작동시켜 실험했더니 놀라운 결과가 나왔다.
- 정상 상태의 횡격막 압력(Pdi): 약 10cmH₂O
- 기능 저하 상태: 약 4.3cmH₂O로 급감
- 로봇 장치 작동 시: 다시 9.9~10.1cmH₂O 수준으로 회복!
즉, 환자의 횡격막이 거의 작동하지 않더라도 로봇만으로 정상 수준의 호흡이 가능하다는 사실이 입증된 것이다.
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단지 기계가 아니다, ‘삶의 질’을 위한 기술이다
기존의 인공호흡기는 말, 식사, 움직임을 어렵게 하고 환자를 침대에 묶어두는 존재였다. 반면 이번 기술은 횡격막에 직접 힘을 전달함으로써 사람의 ‘자율적인 호흡’을 가능하게 만든다. 심지어 장치를 복강에 이식할 수도 있고, 소형 외부 제어기를 백팩처럼 메고 다니는 것도 가능하다.
물론 갈 길은 아직 멀다. 실제 사람에게 적용하기 위해서는 신경계 반응, 다른 호흡 근육들과의 상호작용, 장기간 내구성, 외부 장치의 소형화 등 해결할 과제가 산적해 있다. 하지만 ‘자연스러운 호흡’을 되찾는 데 가장 가까운 기술이라는 점에서, 이번 연구는 단순한 기술 개발을 넘어 인간 삶의 질을 회복시키는 중요한 전환점이 될 수 있다.
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출처 논문
- 소프트 로봇 기반 횡격막 보조 장치의 설계, 모델링 및 제어
- Design, Modeling, and Control of a Soft Robotic Diaphragm‐Assist Device in a Respiratory Simulator
- 저자: Diego Quevedo-Moreno (MIT) 외 5인
- 발행 일자: 2025년 4월 28일
- 저널 이름: Advanced Intelligent Systems