일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2022.2.25

잠입, 소니의 로봇 개발 최전선
'신의 손'에 가까워지는 수술 지원 로봇 실현
소니, 감촉을 10배로 증폭해 전달하는 기술

“그럼 스펀지를 만져보세요”. 눈 앞 화면에는 쌀알만한 스폰지에 접근하는 로봇의 선단 부분이 비치고 있었다. 양손에 쥔 조이스틱을 움직여보니, 순간 탄력 있는 촉각이 느껴졌다. 로봇이 스펀지에 닿는 것과 동시에, 감촉이 10배로 증폭되어 전해진 것이다.

이는 로봇 선단에 닿은 감각을 10배 강조해 전달하는 ‘정밀 바이래터럴 제어 시스템’이다. 소니그룹이 독자적인 센서 검출 시스템을 활용해 개발했다. “외과의사와 환자의 부담을 줄일 수 있다. 신경을 사용하지 않고 정밀 작업을 할 수 있기 때문에 안전한 수술을 실현할 수 있는 가능성이 있다”(소니그룹 R&D센터 Tokyo Laboratory 24 미야모토(宮本) 총괄과장).

-- 촉각을 전달하는 의료용 원격 조작 로봇 --
바이래터럴 제어란 쌍방향 제어 방법을 의미한다. 마스터 측의 장치의 동작 지령을 슬래이브 측의 로봇에게 보낼 뿐만 아니라, 로봇 측 정보도 마스터 측에 피드백하는 방법이다.

개발품은 마스터 측 장치에 있는 2개의 조이스틱이 로봇에 탑재한 2개의 선단 부분(그리퍼)에 대응한다. 조이스틱의 조작으로 선단 부분을 움직이는 것과 동시에, 로봇 측의 촉각이 조이스틱을 통해 조작자에게 전해지는 구조이다.

“이번 개발품이 기존의 의료용 원격 조작 로봇과 크게 다른 점은 역각 피드백 기능을 탑재했다는 것이다”(미야모토 총괄과장). 미국 Intuitive Surgical이 개발한, 현재 가장 많이 사용되는 수술 지원 로봇인 ‘da Vinci Surgical System(다빈치)’에는 탑재되지 않은 기능이다.

다빈치는 외과 수술 시에 촉각이 전해지지 않기 때문에 실제의 감각을 파악하기 어렵다는 의견이 의사들한테서 나오고 있었다. “역각 피드백 기능이 있기 때문에, 인체의 약한 조직을 다루는 수술에도 로봇을 이용할 수 있는 가능성이 있다”(미야모토 총괄과장).

지금까지도 공기압을 이용해 촉각을 재현하는 수술 지원 로봇은 있었다. 그러나 이번 소니그룹의 개발품은 실제의 힘을 10배의 ‘축척’으로 조작자에게 전달한다는 점이 특징이다. 예를 들면, 조작자가 조이스틱을 10mm 움직이면 로봇의 선단이 1mm 움직인다.

로봇 선단이 스펀지에 1gf(그램중, 뉴턴 환산으로 0.0098N)의 힘으로 닿으면, 10gf의 힘이 조작자에게 전달된다는 것이다. 손재주에 관계없이 정밀한 작업을 할 수 있게 되기 때문에 ‘신의 손’이라 불리는 의사의 손재주를 재현할 가능성이 있다.

소니그룹은 로봇 선단 부분에 전달되는 미세한 감각을 검출하기 위해 FBG(Fiber Bragg Grating) 센서를 탑재했다. 이 센서는 측정한 빛의 정보에서 온도나 변형, 압력을 검출할 수 있다. “선단 부분에 FBG 센서를 탑재하고, 3차원의 힘을 추정하면서 바이래터럴 제어를 하는 방법은 세계에서 처음이다”(소니그룹 R&D센터 Tokyo Laboratory 24 와카나(若菜) 씨).

광섬유 내부에 있는 ‘코어’에 형성된 회절 격자는 일정한 파장만 반사하기 때문에 투과광과 반사광을 선별할 수 있는 것이 특징이다. 개발품은 로봇 선단 부분에 파이버를 따라 배치. 선단 부분에 가해진 힘으로 빛의 상태가 변화하는 것을 이용해 실제로 선단 부분에 가해진 힘을 추정한다.

-- 정보를 빛에 실어 힘을 추정 --
실제로 FBG 센서가 힘을 검출하는 흐름은 이렇다. 우선 파이버의 근본 부분에 있는 측정기(인트로게이터)에서 광대역 파장의 빛을 입사(入射)한다. 빛은 코어 위를 전반사하면서 전달되고, 선단 부분에 설치한 회절 격자에 도달한다. 회절 격자가 통과광과 반사광을 선별하고, 반사광은 코어를 역행해 측정기로 돌아간다.

선단 부분에 접하는 파이버는 힘이나 온도가 가해지면 약간 변형된다. 압력에 의해 파이버가 눌려 늘어나기 때문이다. 연동해 파이버 내의 회절 격자도 간격이 벌어지기 때문에 반사광의 파장이 바뀐다. 이 변화를 통해 선단 부분에 힘이 얼마나 가해졌는지를 추정할 수 있다.

소니그룹은 FBG 센서를 채용하기 이전에는 역각 센서를 탑재해 개발을 추진하고 있었다고 한다. 하지만 기존의 역각 센서는 비교적 대형이어서 선단 부분에 설치 장소를 확보하기가 어려웠다. 그렇다고 근본 부분에 설치하게 되면 선단 부분과의 거리가 멀어지기 때문에 센싱 정보를 전달하는 데 시간이 걸린다는 과제가 있었다. 그곳에 안성맞춤이었던 것이 고감도이면서도 한정된 공간에도 탑재 가능한 FBG 센서였다.

개발품이 1gf 정도의 아주 작은 힘까지 검출할 수 있게 된 것은 FBG 센서의 존재가 크다. 그 때문에 쌀알 크기의 스펀지라도 닿았을 때의 압력을 검출, 그 압력을 10배로 늘려 조작자에게 전달할 수 있는 것이다. “FBG 센서 자체는 시판제품이지만 힘을 검출하는 시스템은 독자적으로 구축했다”(와카나 씨).

-- 500μ초 이하의 지연으로 차질 없음 --
소니그룹이 의료 용도를 우선으로 상정하고 있는 이유는 비용 면의 이유가 크다고 한다. “원래는 의료 특화로 개발하고 있던 것은 아니었다. 다만 대량생산을 상정하고 있지 않기 때문에, 개발비를 들여도 문제가 없는 응용처로서 유망했던 것이 의료 용도를 우선으로 상정한 이유의 하나다”(소니그룹 R&D센터 Tokyo Laboratory 24 요시가하라(芦ヶ原) 총괄부장).

실제 활용 장면에서는 마스터 측 장치와 로봇을 같은 방에 설치해 조작하는 것을 상정하고 있다고 한다. 외과 수술 등에서의 통신 지연을 고려하면, 떨어진 거리에서의 정밀 조작은 현재로서는 어렵다고 판단했기 때문이다. 이 기술을 활용하면 의사의 정신적 부담을 줄일 수 있기 때문에 안전한 수술을 할 수 있다는 이점을 전면에 내세운다.

소니그룹에 의하면 현재 통신 지연은 500마이크로(μ) 초 이하라고 한다. “개발품은 수십 밀리초까지의 지연은 허용 할 수 있기 때문에 조작에는 지장이 없다”(미야모토 총괄과장).

한편, 안전성 심사는 향후 제품화를 추진하는 데 과제가 될 것으로 보인다. 의료지원 로봇의 안전성은 인명과 직결되기 때문에 의약품의료기기종합기구(PMDA)와 같은 기관의 인증 장벽이 높다. 그래서 “대학 병원 등 실증실험을 할 수 있는 상대를 찾고 있다. 그때까지는 팬텀이라고 불리는 인공 피부나 인공 혈관을 활용해 기술을 검증해 나가고 싶다”(미야모토 총괄과장).

의료 용도의 다음 단계로서 제조 분야나 우주공간에서의 작업 등도 상정한다. 아직 기계화되지 않은 작업의 대체나 사람이 갈 수 없는 장소에서의 활용이다. “부분적인 기술 제공도 가능하다. 제조업 분야 등에서 그러한 기술이 필요하다면 제공해 나가고 싶다”(미야모토 총괄과장).

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