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시각과 역각의 크로스 모달 개입에 의한 재활 훈련 지원

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운동은 젊은이부터 어른까지 신체 능력과 건강을 향상시키고 유지하기 위해 사회의 모든 사람에게 꼭 필요하다. 그러나 근력이 약한 사람이나 운동 능력이 떨어지는 사람은 체력 문제로 인해 운동을 계속적으로 실시하기 어렵고, 신체 능력과 운동 의욕이 서서히 저하될 우려가 있다. 그래서 신체 활동이나 훈련에 대한 동기를 높이기 위한 지원이 시각, 청각, 역각 등 다양한 모달리티를 구사해 이루어지고 있다. 예를 들어 물리 치료와 같은 기존 재활 치료에 로봇 등의 기술이 활용되고 있는데, 사용자의 운동 중에 피드백을 제공함으로써 퍼포먼스뿐만 아니라 만족감, 성공감 등에도 긍정적인 영향을 가져올 수 있다는 것도 알고 있다.

 

이러한 훈련 지원 기술은 유용하지만, 한편으로는 그러한 지원에서 벗어나 자력으로 훈련하는 것을 어렵게 만들기도 한다. 예를 들어 로봇에 의한 역각적인 지원을 받는 상태의 훈련에 익숙한 사람이 갑자기 그 역각 지원을 받을 수 없게 됐을 때, 운동의 신체적 부하가 증가함으로써 심리적으로 낙담하게 될지도 모른다. 이러한 심리적 낙담이 동기부여를 감소시켜 결과적으로 운동 훈련을 중단하게 된다면 불행할 것이다. 피드백하는 정보를 연구함으로써 운동 지원이 심리면에 미치는 영향을 컨트롤할 수 있을까.

 

심리학 분야에서는 사람은 비선형 역학계로 설명되고 있다. 예를 들어 사람의 시각 인식에서 비선형 다이내믹스는 착시라고 불리며, 지각의 진동, 억제, 포화와 같은 현상에 의해 외부 환경의 인지에 영향을 준다. 시각 피드백은 여러 가지 종류의 기술 학습, 훈련, 스포츠 학습에서 인간의 신체 능력을 향상시키고 긍정적인 감정적 동기부여에 이용할 수 있다는 것이 나타나 있다. 운동에 대한 자기 인식과 과제 지향성은 신체 활동에 대한 내발적 동기부여를 통해 긍정적인 영향을 낳는다.

 

또한 골프 훈련에서 타깃 홀 주위에 작은 원이나 큰 원을 표시하는 것만으로 퍼포먼스에 영향을 미쳐 운동 학습에 장기적인 효과가 있음을 보여주고 있으며, 스노보드 훈련에서 LED 라이트의 색 변화에 의해 각 발의 체중 분포를 실시간으로 시각화함으로써 움직임의 지각과 동기부여를 높일 수 있는 것이나 운동선수가 훈련을 할 때에 시각적 피드백을 제공함으로써 동기부여와 경쟁심이 높아져 신체 훈련이나 퍼포먼스 결과가 향상된다는 것도 보여주고 있다. 더욱이 재활 치료에서도 수지, 보행, 무릎, 팔꿈치 등의 운동에 착시효과 피드백이 활용되고 있다.

 

착각은 시각뿐만 아니라 청각, 촉각, 역각 등 사람의 모든 지각에서 발생하며, 그 발생은 사람의 활동에 큰 영향을 미친다. 운동 감각 중에서 힘이나 무게의 감각에 대해서는 물체가 피부를 압박하는 것에 의한 피부 감각의 흥분이나 근수축으로 인한 심부 감각의 흥분 외에도, 운동 중추가 내는 운동 지령의 역할이 중요하다고 알려져 있다. 근육을 움직이려고 노력하면 뇌가 근육에 보내는 원심성 지령이 강해지고, 이것이 무게 감각에 영향을 미친다. 어떤 요인으로 운동 뉴런에 억제가 가해지면 무게 감각도 변화된다.

 

McCloskey는 무게 감각에 영향을 미치는 여러 인자에 대해 보고하고 있으며, 근육을 사용하기 위해 중추에서 나오는 지령과 근육을 포함한 말초에서 대뇌로 되돌아가는 정보 사이에 불균형이 있으면 더욱 무겁게 느껴진다고 말한다. 예를 들어 뇌졸중 등으로 인한 근력 저하나 근피로, 길항근에 대한 진동 자극 등으로 무게 감각이 변화된다. 또한 근피로가 일어나면 근수의 활동량이 커져 외력을 과대 평가하는 것, 노화에 따라 무게나 외력의 지각 기능이 저하되어 외력을 과대 평가하는 경향이 있는 것 등도 알려져 있으며, 무게감에는 중추에서 나오는 지령값 그 자체보다 주관적 노력감(Sense of effort)이 더 중요시된다.

 

이들을 종합해서 생각하면, 시각과 역각의 피드백을 독립적으로 제어함으로써 사람의 심신에 긍정적인 영향을 미치는 시스템을 구축할 수 있다. 이 글에서는 필자 등이 실시한 역각 개입 시의 힘 지각량이 시각 개입에 의해 어떻게 변화하는지에 대해 조사한 결과를 개략적으로 설명하는 동시에, 시각과 역각의 동시 개입에 의한 수지 운동 훈련에 대한 활용을 목표로 한 시스템에 대해 소개한다.

 

시각 개입에 의한 주관적인 역각 개입량의 변화를 촉진하는 어시스트 슈트

 

1. 어시스트 슈트의 구성

지금까지 필자 등은 사용자의 상지에 대한 역각적 어시스트를 실현하는 슈트를 개발해 왔다. 그림 1에 SmartAidView Jacket의 외관을 나타냈다. 손목 관절에 신전 운동을 보조하기 위해 공기압 겔 인공근(Pneumatic Gel Muscle, 이하 ‘PGM’)이 배치되어 있어 어시스트 지원력과 타이밍을 제어할 수 있다. PGM은 유연하고 가벼운 공기압 액추에이터의 일종으로 압축 공기가 공급됨으로써 수축력이 발생한다. 착용자의 관절에 걸쳐서 PGM을 신체에 고정하면, PGM이 수축함으로써 관절 토크가 발생할 수 있다. 이 수축력은 PGM에 공급하는 공기 압력의 강도에 따라 변화시킬 수도 있다.

 

 

개발한 시제품에서는 손목 신장을 지원하기 위해 평형 길이 0.2m의 PGM을 두 개 사용했다(그림 2). 또한 플렉시블한 LED 테이프를 전완부에 장착해 PGM의 수축력에 맞춰 발광량을 바꿀 수 있도록 되어 있으며, 역각과 시각의 피드백량을 독립적으로 제어할 수 있다. 여기서는 역각 개입과 시각 제시의 대소 조합에 따라 힘의 지각량이 어떻게 변화하는지를 조사했다.

 

 

2. 시각 제시에 의한 힘 지각량의 영향

LED 테이프에 따른 발광량의 차이로 인해 사용자가 느끼는 PGM에 의한 지원력의 크기가 어떻게 변하는지를 조사했다. 피험자는 의자에 앉은 상태에서 상완부를 편안한 상태로 책상 위에 놓고 PGM에 의해 손목에 대한 신장력을 부여했을 때, 그것이 어느 정도의 힘 크기라고 느꼈는지를 같은 자세에서 역각 센서를 향해 힘을 재현하는 심리 물리실험을 실시했다.

 

PGM의 지원력은 최대 레벨 10(25N), 최소 레벨 1(16N)로 10단계로 나누어 제시했다. LED 테이프는 10개의 LED로 구성되어 있으며 레벨 1에서 10에 따라 하나씩 LED가 켜진다. 실험에서는 지원력의 각 레벨에 대한 발광량의 레벨을 변화시켜 피험자에게 지각력의 재현 실험을 하게 했다. 피험자는 건강한 12명(남성 8명, 여성 4명, 평균 23.2세)이다. 피험자는 훈련 세션이라고 칭하며 지원력이 1이면 발광량도 1, 지원력이 5이면 발광량도 5로, 역각과 시각의 조건을 일치시킨 조건에서 역각 재현 테스트 전반을 실시한다. 이에 의해 피험자에게 발광량이 지원력과 선형 관계가 있다고 인식시킨다.

 

이어진 세션에서는 피험자에게는 설명을 하지 않고 표 1에 나타난 바와 같이 조금 전과는 다른 발광량을 제시하고 이때에 지원력을 어떻게 인식하는지를 조사했다.

 

 

훈련 세션 시를 기준으로 발광량 레벨과 지원력 레벨의 차이(VE)를 가로축으로, 지각한 힘의 차이(PE )를 세로축으로 플롯한 결과를 그림 3에 나타냈다. PE=0일 때, 피험자는 지원력을 훈련 세션 시와 동일하게 느꼈음을 의미한다. 그림을 보면 왼쪽 아래에서 오른쪽 위로 올라가는 선형의 상관관계를 볼 수 있다. 이것은 발광량이 지원력에 대해 적은 경우에 지각되는 힘이 감소하는 것, 또한 마찬가지로 발광량이 지원력보다 큰 경우에 지각되는 힘이 증가하는 것을 나타내고 있다.

 

 

시각과 역각의 동시 제시에 의한 운동 착각의 유도

 

1. 착각 제시와 신체 의식

시각 정보와 역각 정보를 적극적으로 비켜 놓는 기법의 응용 사례로서 운동 훈련에 활용되는 사례를 소개한다. 반복 요법이라고 불리는 재활 치료는 같은 훈련을 반복함으로써 신경의 자극을 목표로 하는데, 같은 운동을 반복하기 때문에 동기부여가 저하될 우려도 있다. 동기부여의 향상은 뇌 보상계의 일부인 측좌핵의 활동을 증가시켜 측좌핵과 1차운동야의 결합을 일으킨다고 보고되어 있으며, 수지 기능의 회복 속도에 영향을 준다. 동기부여와 운동 기능에는 상관이 있다고도 보고되어 있으며, 동기부여의 대소는 효율적인 재활에 직결되는 것으로부터 게임화(Gamification) 기술을 이용한 수지 동작의 재활 게임, 가상현실(이하 ‘VR’) 상에서 피아노를 치는 게임 등이 개발되어 있다. 또한 제시하는 시각 정보를 제어함으로써 신체 소유감, 운동 주체감의 변화나 운동 착각을 불러일으킨다는 보고도 있다.

 

그러나 실제와는 다른 움직임을 시각적으로 제시하는 것은 신체 의식에 부정적인 영향을 미칠 수도 있다. 신체 의식이란 신체 소유감(Sense of Onership, 이하 ‘SoO’)과 운동 주체감(Sense of Agency, 이하 ‘SoA’)으로 구성된 자기 인식의 감각이다. SoO는 보이는 신체가 자신의 신체의 일부라고 하는 감각을 말하며, 시각 정보의 일치에 의해 유도된다. 반면 SoA는 보이는 신체 동작을 자신이 제어하고 있다고 하는 감각으로, 자신의 동작과 그에 따라 피드백되는 정보의 일치에 의해 유도된다. 신체 의식이 결여되면, 그 신체 부위의 사용을 기피하는 경향이 나타나 운동 기능의 저하로 이어질 우려가 있다. SoA는 대뇌의 운동 지령을 척수에 전달하는 피질 척수의 흥분성을 감약시키는 것이나 운동 기능과의 관계도 보고되어 있다. 따라서 실제와는 다른 운동 영상을 제시하는 경우는 신체 의식의 결여를 방지하는 연구가 필수적이라고 할 수 있다.

 

그래서 필자 등은 수지 재활에 대한 응용을 겨냥해 수지 동작 각도를 증가시킨 VR 핸드 영상과 운동 지원 어시스트를 동시에 제시했을 때에 생기는 주체감과 신체 의식의 악영향을 역각 제시에 의해 줄일 수 없는지를 검증했다.

 

2. 시각과 역각의 동시 제시에 의한 운동 착각 유도 시스템

손가락 운동의 착각 유도 시스템을 그림 4에 나타냈다. 이 시스템은 가상공간 상에 표시한 가상 수지(버추얼 핸드, 이하, ‘VH’)을 HMD(Meta Quest 2, Meta제) 상에 제시하는 시각 제시부와 어시스트 글로브의 굴곡 동작을 지원하는 역각 제시부로 구성된다. 시각 제시부에서는 HMD의 핸드 트래킹 기능에 의해 수지 굴곡 각도를 추정하고, VH를 실시간으로 움직인다. 역각 제시부에서는 수지 굴곡 각도를 트리거로 해서 오른손에 장착된 어시스트 글로브에서 수지의 굴곡 동작 토크를 발생시킬 수 있다.

 

 

3. 운동 착각의 유도실험과 결과

실제 수지 굴곡 각도보다 굴곡 각도를 확대해 표시한 VH를 HMD에서 제시하고, 이때 역각 어시스트의 유무에 따라 발생하는 착각 강도의 차이를 조사했다. 피험자는 건강한 남성 10명(남성, 연령 22.3±1.0세)이다. 피험자는 HMD와 어시스트 글로브를 장착하고 목표 각도까지 수지를 구부리도록 지시받는다. 실험 조건으로 ‘굴곡 각도의 확대 배율(등배, 1.5배, 2배)’과 ‘역각 어시스트 유무’의 6가지 조건을 준비했다. 역각 어시스트가 있는 조건에서는 2.0N의 지원력을 부여했다.

 

실험은 피험자마다 무작위로 설정한 순서로, 1조건 2회씩 12회의 작업을 실시하게 했다. 1작업은 3회의 굴곡운동으로 구성되어 있으며, 3회의 동작 후 구두로 주관 평가를 하게 했다. 주관 평가는 7단계(-3에서 +3, +3이 완전한 동의)의 리커트 척도((Likert scale)를 이용해 ‘VR 핸드가 자신의 손인 것처럼 느껴졌다(SoO)’, ‘VR 핸드 동작이 자신의 의지에 따른 것처럼 느껴졌다(SoA)’ 등의 질문에 대답하게 했다.

 

 

관절 각도 확대의 차이가 주관 평가에 미치는 영향을 그림 5에, 역각 어시스트의 유무가 주관 평가에 미치는 영향을 그림 6에 각각 나타냈다. 그림 5에서 신체 소유감과 운동 주체감의 두 지표에서 역각 어시스트가 없는 경우, 수지 각도가 2배로 확대된 영상이 제시됐을 때에 점수가 통계적으로 유의하게 저하했다. 이것은 VH의 굴곡 각도가 자신의 수지 동작 각도보다 큰 것에 대해 피험자가 위화감을 느꼈음을 의미한다.

 

 

또한 그림 6에서 등배 및 1.5배 영상 제시 시에는 역각 어시스트가 가해지면 SoO, SoA의 점수가 저하하고, 2배 영상 제시 시에는 역각 어시스트가 더해지면 점수가 상승하는 것으로 확인됐다.

 

 

사람은 운동을 계획했을 때에 뇌 내 신체 표현을 이미지하면서 운동기로 운동을 실현하고, 다양한 감각이 피드백되어 새로운 뇌 내 신체 표현을 생성한다. 또한 뇌 내 신체 표현의 차이가 신체 의식을 생성한다. 동 실험에서는 각도 확대 영상에 더해 동작 어시스트에 의한 역각 제시도 동시에 더함으로써 뇌 내 신체 표현의 변용을 증진시키고, VH가 마치 자신의 것인 것처럼 느끼도록 촉진했을 가능성이 시사됐다.

 

맺음말

 

앞에서 말했듯이 사람의 힘 지각에는 비선형성이 있어, 특히 큰 힘을 지각했을 때 실제 힘보다 과소평가한다. 지각 오차는 정밀한 운동을 할 때의 퍼포먼스를 저하시키거나, 신체에 과도한 부담을 주는 것을 깨닫지 못하는 것으로 인한 부상 위험을 증가시킬 수도 있다. 한편, 시각 효과를 잘 활용하는 것은 주관적 힘 감각을 물리적 지원력에 근접시키는 것도 가능할 것이다. 또한 역각적 어시스트를 통해 시각적인 페이크에 의한 위화감을 저하시킬 수 있다는 것을 나타냈다.

 

이와 같이 시각과 역각의 동시 제시 기술을 활용함으로써 페이크 피드백을 긍정적으로 활용하는 것이 가능해진다. 예를 들어 물리적 어시스트에 대한 과도한 의존을 막기 위해 운동 어시스트와 시각 제시 정보를 비켜 놓아 서서히 물리적 어시스트에 대한 의존을 낮추는 것도 가능할 것이다(그림 7). VR을 활용한 운동 훈련이나 재활 활용에 대한 응용을 기대한다.










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