가장 초기에 알려진 보철물은 고대 이집트까지 거슬러 올라간다. '카이로 발가락(Cairo toe)'이라고 불리는 하나는 단순한 미용용이 아니라는 징후를 보여준다. 3,000년 전에도 나무와 가죽으로 만든 숫자는 유연성을 고려하여 디자인되었으며 형태와 함께 기능도 제공했음을 시사한다.

 

그 이후로 사람들은 절단 수술을 받은 사람들의 삶을 개선할 수 있는 독창적인 방법을 찾기 위해 열심히 노력해 왔다. 15세기 초부터 엔지니어들은 케이블, 기어, 스프링을 보철물에 통합하여 사람들이 물체를 잡고 관절을 구부릴 수 있는 능력(제한적이긴 하지만)을 제공하기 시작했다. 보철물은 방패를 잡거나 피아노를 연주하는 등의 특정 작업을 수행하기 위해 제작되었다. 그리고 그들은 고무, 플라스틱, 경량 금속과 같은 발견 소재에 더욱 익숙해졌다.

현대에는 사용자의 마음으로 제어할 수 있고 AI 지원을 활용하며 환상통을 줄일 수 있는 보철물이 존재한다.

 

그러나 최근까지 이 역사에서 한 가지 진보가 빠졌다. 바로 접촉이다. 팔다리와 부속기관은 단순한 기계 도구가 아니기 때문에 보철물을 통해 감정을 이끌어내는 방법을 찾는 것이 중요하다. 사람의 촉각은 경험을 구체화할 수 있게 하며, 그것이 없으면 외부 세계와의 의미 있는 단절이 남게 된다.

 

엔지니어들은 일부 사람들이 보철물을 통해 촉각 피드백을 경험할 수 있도록 돕는 데 인상적인 진전을 이루었지만 다른 감각에 대해서는 덜 연구되었다.

“온도는 로봇 손의 감각을 회복시키는 마지막 개척지 중 하나이다. 처음으로 우리는 절단 환자의 감각 전체를 복원하는 데 정말로 가까워졌다.”라고 스위스 로잔 연방 기술 연구소(EPFL)의 병진 신경 공학 분야 베르타렐리 재단 의장인 실베스트로 미케라(Silvestro Micera)는 말한다.

 

미케라는 바로 그런 일을 할 수 있는 장치를 개발하는 연구팀의 일원이다. 지난 달 Med 저널에 발표된 그들의 최신 연구에 따르면 이 장치는 사람이 온도를 구별하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 기존 보철물과도 짝을 이룰 수 있음을 보여준다.

 

환상의 열기를 느낀다

그들은 그들의 기술을 "MindTouch"라고 부르며, 이전 연구에서는 이 기술이 어떻게 "환상의 열 감각"을 활용하는지 설명한다.

환상지 증후군(환상지 증후군이라고도 함)은 잃어버린 사지가 여전히 거기에 있다는 느낌이다. 예를 들어, 손을 절단한 사람의 경우 때때로 없는 부속기가 움직이거나 심지어 만지는 느낌을 받을 수도 있다. 절단 수술을 받은 환자의 약 60~80%가 환상적 감각을 호소하며, 어떤 경우에는 고통스러울 수도 있다.

 

그러나 MindTouch는 환상의 감각을 유리하게 활용한다.

이 절차는 연구자들이 사람의 절단단 지도를 작성하여 더위나 추위를 경험할 때 환상적 감각을 안정적으로 이끌어내는 영역을 찾는 것으로 시작된다. 여러 매핑 세션을 통해 그들은 가장 일관되게 환상적 감각을 이끌어내는 장소를 식별한다.

그런 다음 "thermode"라는 장치를 사용하여 사용자의 보철물을 개조한다. 열극은 일정한 지점에서 사용자의 피부에 닿아 절단단의 신경에 온도 신호를 보낸다. 온도 신호는 보철물의 손끝에 위치한 센서에 의해 검색된다.

연구에 참여한 한 참가자는 “나에게 가장 인상 깊었던 점은 실험자가 자신의 몸에 센서를 부착했을 때였다.] 환상의 손으로 타인의 온기를 느낄 수 있었다. 누군가와 인연을 맺고 있는 것이었다.”

 

현재 연구를 위해 연구자들은 경추 절단 수술을 받은 57세 남성의 도움을 받았다. 참가자는 환상지 통증이 경미하거나 전혀 없다고 보고했다. 130일에 걸쳐 연구원들은 참가자의 의수를 MindTouch로 강화하기 전에 열 매핑을 수행했다. 그런 다음 온도 차이를 감지할 수 있는지 확인하기 위해 일련의 테스트를 수행했다.

 MindTouch가 장착된 연구 참가자의 의수. 통합된 열 피드백을 사용하여 그는 따뜻하고 차가운 스테인리스 스틸 큐브를 높은 정확도로 분류하고 있다. (제공: EPFL/Caillet)

첫 번째 테스트에서 참가자는 뜨거운 물, 차가운 물 또는 미지근한 물이 채워진 구별할 수 없는 갈색 병 3개 주위에 의수를 감으라는 요청을 받았다.

 

두 번째 테스트에서는 참가자에게 눈을 가린 상태에서 구리, 유리 또는 플라스틱 판을 식별하도록 요청했다. 또 다른 눈가리개 테스트에서는 자신이 실제 사람 손을 만지고 있는지 아니면 인공 실리콘 손을 만지고 있는지 추측하게 했다. 네 번째이자 마지막 테스트에서는 뜨겁거나 차가운 동일한 스테인리스 스틸 큐브를 분류하도록 했다.

EPFL의 연구 저자이자 신경공학자인 솔라이만 쇼쿠르(Solaiman Shokur)는 "우리의 목표는 촉각, 고유 감각 및 온도 감각을 통합하는 다중 모드 시스템을 개발하는 것이다."고 말한다. "그런 시스템이 있으면 사람들은 '이건 부드럽고 뜨겁다', '이건 단단하고 차갑다'고 말할 수 있을 것이다."

 

다시 연락하기(터치 포함)

그는 어떻게 했을까? 모든 과제에서 참가자는 우연보다 더 나은 점수를 받았다.

그는 MindTouch를 켠 상태에서 병 테스트를 통과하여 100% 정확도를 기록했다. 보다 미묘한 온도 차이를 관찰한 눈을 가린 테스트에서 그는 인간 손과 인공 손을 80%의 확률로 정확하게 식별했고, 다양한 재료를 67%의 확률로 정확하게 식별했으며, 플라스틱과 구리를 쉽게 구별할 수 있었다. 마지막으로 다양한 블록 정렬 세션을 통해 그는 64%의 정확도로 153개 블록 중 114개를 올바르게 배치했다.

 

이 모든 테스트에서 MindTouch가 꺼졌을 때 그의 정확도는 확률 수준으로 떨어졌다. 병분류 테스트의 경우 33%에 불과했다.

흥미롭게도 병과 물질 분류라는 두 가지 테스트에서 그는 온전한 손을 사용할 때와 마찬가지로 MindTouch를 사용할 때도 똑같이 잘 수행했다. 이에 비해 보철물이 부족한 테스트는 악수 테스트였다. 연구자들은 피부 질감과 같은 다른 촉각 감각이 차이를 만들었을 수 있다고 믿는다.

 

전체적으로 열 감각은 400일 동안 안정적으로 유지되었으며 장치가 비침습적이기 때문에 부작용이 기록되지 않았다.

수석 저자인 쇼쿠르는 "온도 정보를 추가하면 터치가 더욱 인간과 비슷해진다."라고 덧붙였다. "우리는 온도를 감지하는 능력이 있으면 절단 환자의 구체화, 즉 '이 손은 내 손이다'라는 느낌을 향상시킬 것이라고 생각한다."

 

앞으로 팀은 연구를 더 큰 집단으로 확장하고 공기 온도 및 습도와 같은 실험실 외부 요인이 MindTouch에 어떤 영향을 미치는지 확인하기를 희망한다. 그들은 또한 극복해야 할 몇 가지 과제에 대해서도 언급한다. 그 중 가장 중요한 것은 여러 개의 열극을 통합하여 누군가의 유령 손의 더 큰 부분을 불러일으키는 방법을 고안하는 것이다. 또한 배터리와 컨트롤러 장치를 더욱 사용자 친화적으로 소형화하는 방법도 찾아야 한다.

"그러나 이러한 도전은 노력할 가치가 있다."라고 저자는 썼다. "열 보철 손을 장기간 사용하면 보철 사용자에게 완전히 새로운 관점을 열 수 있기 때문이다. [...] 처음으로 우리는 자연스러운 감각의 다양한 팔레트를 복원할 가능성을 구상할 수 있다.”