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Nikkei X-TECH_2023.4.12

원격 조작이 탄생시킨 로봇의 새로운 세상
소니그룹의 원격 로봇 기술
'10배' 섬세한 촉각 피드백으로 수술 지원

소니그룹은 현재 사람의 촉각을 피드백하면서 미세한 작업이 가능한 원격 조작 로봇 기술 '정밀 바이라테럴(Bilateral) 제어 시스템' 개발을 추진하고 있다. 이 기술의 적용 분야로 상정되고 있는 것이 수술 지원 로봇이다. 또한 영상과 촉각을 조합해 수술 시뮬레이션을 구현하는 기술 '서지컬 시뮬레이터(Surgical Simulator)'도 개발 중이다. 원격 조작 로봇의 사회 구현을 촉진하는 주변 기술들을 소개한다.

-- 사람을 뛰어넘는 섬세함을 로봇으로 --
정밀 바이라테럴 제어 시스템은 로봇암 선단의 위치와 힘을 높은 정밀도로 원격 조작하는 기술이다. 구체적으로는, 위치 정밀도 10마이크로미터(μm), 힘 정밀도 1gf(그램의 힘, 뉴턴 환산으로 0.0098N)를 실현할 수 있다. 하지만 이러한 높은 정밀도의 움직임을 실제 규모로 조작하는 것은 어렵다. 그래서 이 시스템은 로봇암 선단의 힘과 움직임을 10배로 확대해 조작자에게 전달하는 기능도 겸비하고 있다.

예를 들어, 로봇암 선단이 물체에 1gf의 힘으로 접촉하면 10gf의 힘이 조작자에게 전달되고, 조작자가 손을 100㎛ 움직이면 로봇암 선단이 10㎛ 움직인다. 이를 통해 사람이 보유한 능력 이상의 고정밀 조작이 가능하며 섬세한 촉각을 수반하는 정교한 작업을 할 수 있다.

특히 미세한 힘(촉각)을 피드백하는 기술은 수술 지원 로봇에 이용할 수 있을 것으로 큰 기대를 모으고 있다. 현재의 수술 지원 로봇은 기본적으로 시각 정보를 바탕으로 수술하기 때문에 당연히 의사가 직접 손으로 환자를 수술하는 것보다 얻을 수 있는 정보가 적다.

그래서 로봇 본체에서 콘솔(로봇 조작 장치)에 촉각 정보를 피드백함으로써 약한 조직에 수술 도구가 닿는 힘의 정도를 조절하거나, 봉합 시 실의 장력을 감지할 수 있어야 한다. “봉합 시 실의 장력이 약하면 잘 봉합할 수 없고, 너무 강하면 실이 끊어질 수 있다. 촉각 피드백을 통해 세밀하게 힘을 가감할 수 있어야 한다”(소니그룹 R&D센터 Tokyo Laboratory 241과의 미야모토(宮本) 총괄과장)

이러한 촉각 피드백을 실현하기 위해 정밀 바이라테럴 제어 시스템에는 로봇암 선단에 FBG(Fiber Bragg Grating) 센서가 내장되어 있다. 센서의 접착 방법이나 로봇암 선단에 가해지는 힘을 센서의 출력을 통해 추정하는 알고리즘 등도 개발해 1gf라고 하는 미세한 힘의 변화를 검출하는 데 성공했다.

구체적인 이용 장면으로는 림프부종 수술을 꼽을 수 있다. 림프부종은 림프절 절제 및 방사선 치료와 같은 암 치료나 림프계 선천성 이상 등으로 림프액 배출력이 저하되어 발생하는 병이다. 고인 림프액을 흘려 보내기 위해 림프관과 혈관의 봉합 등 세밀한 수술이 필요하며, 이때 촉각 피드백이 포함된 정밀 바이라테럴 제어 시스템이 도움이 된다.

-- 의료 현장으로의 적용 과제 --
정밀 바이라테럴 제어 시스템의 개발 상황에 대해 소니그룹의 미야모토 통괄 과장은 “기술적인 챌린지는 끝난 단계”라고 말한다. 그는 향후, 본격적인 의료 현장으로의 적용을 목표로 하는데 있어서 (1)조작성과 (2)셋업(도구 교체) 시간 단축이 과제라고 말한다.

조작성에 관련해서는 콘솔의 가동범위 확대를 검토하고 있다. 현재는 수평면상에서 상하좌우로 움직일 수 있지만, 손목을 회전시켜 집어 올리는 동작은 어렵다. 예를 들면 실을 꿰맬 때 회전이 수반되는 동작이다. 뿐만 아니라, “의사의 스킬이 보다 잘 발휘될 수 있도록 할 방침이다. 의사는 손끝뿐만 아니라 팔 전체를 이용해 수술한다. 그것을 반영할 수 있는 시스템으로 발전시켜나가고 싶다”(미야모토 통괄 과장).

이어서 셋업 시간 단축이다. 수술 지원 로봇은 다양한 도구를 순차적으로 이용하기 때문에 도구를 내려놓고 다시 파지(把持)하는 기구가 필요하다. 그러나 현재는 셋업에 걸리는 시간이 길어, 수술 시간을 줄이기 위해 셋업 시간 단축을 추진해나갈 방침이다.

콘솔과 로봇의 거리가 먼 경우에도 과제가 있을 수 있다. 원래 정밀 바이라테럴 제어 시스템은 섬세하고 고정밀한 동작을 원격 조작으로 실현하는 것에 주안점을 두고 있어 로봇과 콘솔이 가까운 상태에서의 이용을 상정하고 있다. 이 때문에 콘솔과 로봇의 거리가 멀어지면 데이터 통신 지연이나 흔들림이 커져 정확하게 촉각을 피드백하지 못할 수 있다. 지연 시간이 100밀리초(ms)를 넘으면 진동이 발생해 동작이 불안정해진다고 한다.

-- 영상과 촉각으로 시뮬레이션 --
소니그룹이 개발을 추진하고 있는 또 하나의 기술이 서지컬 시뮬레이터이다. 이 기술은 디지털 공간 위에 장기와 수술기구를 3D 모델로 표현해 수술 시의 장기 변형과 촉각 등을 재현한다. 스틱형 컨트롤러로 수술 기구를 조작하면 화면 내 장기가 실시간으로 변형되고 그 감촉이 컨트롤러에 피드백된다. 촉각 피드백을 통한 리얼한 재현 및 보조 기술로, 수술 지원 로봇을 조작할 때 어느 정도의 힘으로 조작해야 하는지를 배우는 등의 활용을 상정할 수 있다.

수술 지원 로봇 보급이 추진되는 가운데, 그 조작 방법을 습득할 수 있는 기회 확대도 요구되고 있다. 그러나 조작 방법을 지도의가 가르치기 위해 이동하는 것은 시간 확보 측면에서 어렵고, 교육이나 훈련에서 수술 지원 로봇을 사용하는 동안에는 통상적인 수술이 제한된다는 과제가 있다.

“고령화 등으로 인해 수술 건수 증가가 전망되는 한편, 외과의사의 수는 한정되어 있기 때문에 보다 효과적인 교육이 요구된다”(소니그룹 R&D 센터 Tokyo Laboratory 24의 구로다(黑田) 담당부장). 이를 위해 소니그룹은 실제 기계 없이 수술 환경과 비슷한 환경에서 교육 및 훈련을 할 수 있는 서지컬 시뮬레이터를 개발하고 있다.

서지컬 시뮬레이터에서는 예를 들어, 담낭 적출 수술을 모의 체험할 수 있다. 구체적으로는 혈관을 노출시켜 클립으로 고정하고, 장기를 적출하는 절차를 확인할 수 있다. 우선은 의사가 수술 순서를 확인하는 시뮬레이션을 구축. 향후에는 수술 내용에 문제가 없는지 등을 피드백 할 수 있는 기능도 추가해나가는 것을 목표로 하고 있다.

소니그룹은 앞에서 소개한 정밀 바이라테럴 제어 시스템에서 얻을 수 있는 데이터의 이용도 검토하고 있다. 서지컬 시뮬레이터는 촉각 피드백 기능을 가지고 있어, 정밀 바이라테럴 제어 시스템에서 수집한 데이터와 피드백한 촉각 데이터 등을 적용해 시뮬레이션의 정밀도를 높여나갈 방침이다.

-- 의사와 로봇이 협업하는 세계로 --
향후, 수술 지원 로봇의 원격 조작이 확산되면 로봇과 사람의 협업 관계도 변화할 가능성이 있다. 미야모토 총괄과장은 어디까지나 수술에는 사람이 필요하다는 것을 전제로, “수술의 일부에서 로봇의 자율적인 동작이 요구될 것이다”라고 말한다. 모든 로봇의 동작을 사람이 조작하는 것이 아니라, AI(인공지능) 등에 의한 자율동작도 도입되어 보다 고도의 안전한 수술이 실현될 것이라고 한다.

당연히 자율동작 로봇을 개발할 때 학습이나 검증을 인체를 대상으로 실시하는 것은 어렵다. 이 때문에 인체와 같은 리얼한 수술 환경을 가상적으로 만들어 낼 수 있는 서지컬 시뮬레이터상에서 자율동작이 가능한 수술 지원 로봇 개발을 추진할 가능성이 있다.

아직 갈 길이 멀지만, 미래에는 의사의 보조를 담당하는 자율동작 로봇이 실용화될 수 있을 것이다. 수술 시의 영상, 음성 및 촉각 데이터, 수술 지원 로봇의 제어 데이터 등 다양한 정보를 수집하면서 디지털 세계에서 물리적 현상을 고정밀도로 재현하는 기술을 개발하는 것은 실용화에 큰 추진력이 될 것이다.

-- 끝 --

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