본문 바로 가기

로고

국내 최대 기계 및 로봇 연구정보
통합검색 화살표
  • Objet30 Prime (3D프린터)
  • M-Terview

    (연구자 인터뷰)

    연구자 인터뷰는 기계.건설공학 분야의 종사자의 추천 및 자체 선정을 통해 선발된 우수 연구진을
    직접 방문하여 연구 정보를 취합하여 제작하고 있습니다. 주변에 알리고자 하시는 분이 계시면
    연구자료 인터뷰 신청을 통해 신청해 주세요.

    • 채수원 교수
      인간중심의 제품설계 기술
      채수원 교수(고려대학교 기계공학부)
      이메일:swchae at korea.ac.kr
      장소:고려대학교 창의관 412호
      2426 1 1

    안녕하세요. 메이트릭 회원 여러분!
    기계와 제품, 물건을 보다 인간의 입장에서 만들자라는 인간중심 제품설계((HCD: Human Centered Design)는 인간에게 가장 편안하고 안전한 제품이 만들어질 수 있도록 설계부터 시뮬레이션, 제작까지의 전 과정을 과학적으로 뒷받침하는 기술입니다. 이번 한국정밀공학회 추계학술대회에서 특별 강연으로 인간중심 제품설계 기술에 대해 채수원교수(고려대학교, 기계공학부)님이 발표하셨는데요. 좀 더 깊이 있는 연구내용과 대외활동에 대해 이야기를 해보도록 하겠습니다.




    1. 교수님 오랜 기간 몸담았던 고려대학교를 현재 정년이 1년 남으셨다고 들었습니다. 지금까지 많은 연구 중에 가장 생각나는 연구가 무엇인지 설명 부탁드립니다.

    학위 받고 15년간 연구한 내용과 현재의 연구는 다릅니다.  유한요소 모델을 자동으로 만드는 연구로  Mesh Generation(요소생성)입니다. 유한요소 방법을 개발해서 소프트웨어를 만들고, 카이스트에 있는 동료하고 함께 창업도 했습니다. 결과적으로는 소프트웨어가 굉장히 어려워 연구를 접었죠. 그 연구가 큰 줄기 였고요. 연구비는 없어지는 추세라 보통 우리나라는 계속하게 놔두지 않고, 이미 다 개발된 거 아니냐는 식으로 연구 주제가 바뀌지 않으면 연구비를 책정 못 합니다.  현재는 주제를 바꿔서 ERC(Engineering Research Center : 우수공학연구센터)를 하면서 생체 역학 분야에 관심을 가지고, 인체 모델링과 움직이는 인체 내부에서의 응력해석을 새롭게 하고 있습니다.


    2. 동작분석-유한요소해석 연계 프로그램을 통해 산업재해 예측기법을 연구하고 계시는데요. 산업안전, 의료 등의 분야에서 생체 역학적 안전성 평가기술을 확보에 매우 중요할 것 같습니다. 교수님의 연구의 종합편이란 생각이 드는데요. 유한요소해석의 연계를 통한 인체 동작해석기법에 대해 설명해 주신다면?

    그동안 유한요소해석으로 응력을 해석할 수 있습니다. 어떤 기계나 시스템, 사람까지 응력을 해석할 수 있는데, 정적인 상태 즉 움직이지 않는 상태에서의 영역들을 지금까지는 해석할 수가 있었습니다. 예를 들어 인체에 적용한다면 치아에 사용되는 임플란트, 어깨 고관절에 쓰는 인공관절 등 정적인 상태를 기본으로 해서 디자인을 하는데, 실제로 사람은 생활에서 움직이고 있지 않습니까? 움직임에 대한 유한요소해석은 현재는 곤란합니다. 그래서 우리가 보통 움직이는 대상에는 인체를 강체로 놓고 실험하는데 관절에서 걸리는 힘은 알지만, 구체적으로 응력분포 같은 건 잘 모릅니다. 어느 부위가 좀 더 응력이 많이 걸리는 건 모르고, 그냥 크게 봐서 힘만 구하는데요. 저희는 그 강체해석 연구와 유한요소해석을 합쳐서 나온 결과를 가지고 그때그때 Motion에 따른 인체모델을 만들어서 응력해석을 하니 특히 연골이나 무릎, 발목에 작용하는 Stress(물리적 요인)를 좀 구체적으로 계산을 할 수 있어 무릎관절염에서 어떤 효과가 있고, 기존 다른 연구들과 잘 맞는 걸 확인 가능한 거죠.


    3. 교수님의 연구는 몸속을 채우고 있는 골격, 근육, 인대 등 인체의 가능한 한 많은 정보가 입력된 디지털 인체를 각 종 제품설계와 시뮬레이션 과정에 적용하면서 노하우가 많이 쌓였을 것 같습니다.

    인체가 너무 복잡하기 때문에 우선 하체를 먼저 해봤습니다. 보행 분석시 걸어 다닐 때 일어나는 현상을 보았는데 발목과 무릎이 관절에 어떤 영향을 미치느냐를  계산하니 신발과 관련된 분야가 많았습니다. 최근에도 캐나다 밴쿠버(Vancouver)에 있는 UBC (University of British Columbia)에서 의과대학 교수가 찾아왔어요.  관절염 학회에 초청 연사로 왔다가 나를 만나고 싶다는 거예요. 그 교수는 각종 신발이나 보행 분석을 실험하고 있는데, 유한요소해석 연구는 안 하고 있으니 우리랑 같이 연계하면 좋지 않겠냐고 그래서 굉장히 좋겠다고 했는데 지금 제가 정년이 얼마 안 남았기 때문에 얼마나 연계를 많이 할지는 모르겠습니다만, 결과적으론 비슷한 결론을 얻는데 UBC 연구진들은 약간 추상적인 결론을 얻었고, 우리는 구체적인 걸 보여주니 상당히 흥미로웠어요.

    보행 분석은 트레드밀(Treadmill: 발로 밟아 돌리는 기구)에서 사람들이 어떤 특정한 신발이나 깔창을  신고 움직일 때 근육 활동을 재어봐서 어떤 부분이 안 좋을 거라고 예측을 합니다. 우리 연구는 구체적으로 무릎의 어느 부분이 안 좋다는 것까지 계산이 되니-그 측정이 완전히 보행 분석에서 나오는 결과를 가지고 함께 연구해야 하거든요-그 데이터만 받으면 우리가 아마 다시 계산을 할 수 있을 거예요. 근데 아직 손이 모자라서 거기까지는 못하고 있습니다.





    4. 지금 소유한 방대한 데이터양은 어느 수준인지 어떻게 활용이 될지 궁금합니다.
     
    목적과 관점에 따라 모델이 계속 바뀌어야 하거든요. 가령 무릎을 중심으로 보거나 발목을 연구해야겠다.  이런 부분이 다 다르기 때문에 전신에 대해서 하는 건 별로 의미가 없습니다. 필요에 따라서 만들어야 하니까 일반적인 모델은 큰 의미가 없고요. 우리도 전체 뼈를 다 만들다가 필요가 없을 거 같아, 목적에 맞게 좀 만들자고 그래서 하체를 위주로 연구했죠.  지금은 보행하는 것은 웬만큼 다 되는 거 같아요. 마사이 신발도 해봤고, 안창(발바닥과 맞닿는 부분)도 해봤고, 팔자걸음이 무릎에 얼마나 안 좋은지에 대한 계산까지 해봤습니다. 지금은 척추가 매우 큰 문제입니다. 각종 무거운 것들을 들고 움직인다거나 동적 운동을 할 때 척추에 얼마나 위험한 지를 연구해야 합니다. 대충은 알지만 인간공학적으로나 과학적으로 계산한 것은  없어요. 그래서 이를 연구하고 있습니다.
    인체에 대한 것은 실험을 하고 검증을 해야 합니다. 살아있는 사람 척추에다가 센서를 집어넣어서 척추 압력을 재고 연구하는데요. 아주 제한된 것만 실험합니다. 일단 검증만 된다면 이런 모델로 많은 작업을 할 수 있지 않을까 생각하고 있고, 지금은 척추 모델을 하는 데 집중하고 있지만, 정형외과 의사들의 의견을 들어 보면 현장의 종사자들은 어깨가 많이 상한다고 하더라고요. 이 분야도 연구했으면 좋겠다고 생각하는데 그것까지는 아마 우리 연구실이 시간이 안 될 거 같습니다.


    5. 교수님께서는 정교한 디지털 인체모델을 사용하면 실제 자동차 충돌 사고 시 어디가 부러지고 어느 정도의 치명상을 입을 수 있는 지 등을 훨씬 세밀하게 측정할 수 있다고 하는데요. 현재 국내연구진들은 어디까지 예측 및 측정가능한지 설명 부탁드립니다.
     
    예측은 가능하죠. 그게 맞느냐 틀리느냐의 문제입니다. 저희도 하체 모델의 경우 뼈 모델을 정교하게 만들어서 충돌해석도 해보고, 어떤 경우에는 자동차 대시보드 (Dashboard)에 발을 부딪쳐 데이터를 가지고 결과 값이 나오기도 하는데요. 문제는 실제로 그게 맞느냐가 핵심입니다. 계산은 누구나 할 수 있거든요. 앞으로는 검증이 안 되면 어디에도 쓰지를 못합니다. 자동차회사에서도 실무적으로 보고 흥미를 가지지만 쓰지 못합니다. 그래서 현재 쓰고 있는 모델들은 사체에 대해서 검증이 다 이뤄진 모델만 인정이 됩니다. 구체적으로 어디가 부러지고 이런 모델보다는 지금은 기준에 맞춰 있습니다.

    머리에 HIC(Head Injury Criterion)라고 머리 상해 정도, 가슴에 걸리는 힘, 무릎에 걸리는 힘 등 이런 것들은 기준으로 대표적으로 뽑아낸 실험과 비교한 모델들을 이미 많이 사용하고 있습니다. 인체 모델이 있죠. 다시 말해 기준 된 큰 값들만 뽑아내는 거죠. 그건 다 검증된 겁니다. 그런데 우리처럼 무릎에 금이 간다거나 하는 것은 검증이 안 된 모델이니 쉽지가 않죠. 그리고 그걸 만들라면 사체 실험을 굉장히 많이 해야 하는데요. 개인적으로 하긴 곤란한 거고, 더 큰 프로젝트가 돼야 하지 않을까 생각합니다. 저희도 실제 자동차 충돌 해석에 사용할 수 있는 모델을 만들 계획을 가지고 있었고, 하체에 대한 모델을 일부 만들어서 충돌해석도 하고 하체 골절 등을 해석해 보았으나, 인체모델이란 것이 사체 실험을 통한 검증이 없으면 실제 인정해 주지 않습니다. 그러나 사체 실험을 통한 검증은 어느 개인이 할 수 있는 범위를 벗어난 국가적 작업이라 중단하였습니다. 자동차 회사들과도 논의를 해 보았으나, 기존의 외국 회사들과의 컨소시엄 형태로 인체모델 개발을 추진하고 있어 우리가 참여할 부분이 없었습니다.




    6. 척추교정구, 척추안마장치, 척추시술용 인상기, 조절식 브레이크 페달 장치, 디스플레이 스탠드, 경추교정용 안마기 등 특허를 내신게 굉장히 많은데요. 가장 기억에 남는 특허가 있다면.

    많은 특허를 함께했고요. 질문 내용은 ERC(인간중심 제품혁신연구센터) 연구원들과 같이 한 결과입니다. 특허는 우리 동료들이 주로 한 겁니다. 척추 교정구는 간단한 옷 같은 거고, 척추 시술용 인상기는 우리가 창업도 하고, 회사도 차렸죠. 또 한의원에도 2~3군데 이상 보급을 했습니다. 요즘 한의원에서 추나요법으로 척추를 교정하는 게 있는데요. 추나요법 외 척추 교정 하는 몸살림 운동 같은 거와 비슷한 방법으로 척추를 직접 교정을 합니다. 척추가 약간만 삐뚤어져도 각 장기나 장기에 연결된 부분 손상이 가거나 병이 있을 수 있는데, 그것이 원인인 경우에는 교정만으로 바로 낫거든요. 효험이 없을 수도 있겠지만 잘 낫는 경우도 있어 척추진단교정 그룹들과 몇 년 동안 같이 연구했습니다.

    척추진단교정 그룹이 굉장히 무식하게 척추 교정 하는 것을 보았습니다. 뭐라 할까 사람을 엎드려놓고 발을 끈으로 들어서 만들어놓고 거꾸로 내려찍고, 발로 엉치(천골)를 누르면서 교정을 하는 건데요. 이게 위험합니다. 사람 몸무게 반을 들어서 척추를 맞추니까 크레인 같은 거죠. 그래서 인상기를 만들면 좋을거 같아서 설계에 굉장히 관심이 많으신 교수님과 함께 인상기를 사용하기 쉽게 만들었어요. 보급이 꽤 됐는데요. 문제는 너무 싸게 보급을 해서 한의사들이 원 재료값만 요구하니 원래는 몇 배를 받아야지 수지가 맞는데, 재료가 1,000만 원어치 들어갔다고 하면 1,200만 원에 사려고 하는 거예요. 그렇게 처음 몇 대 만들다가 우리가 접었습니다. 현재 시중에 팔린 제품들은 한의사들은 잘 쓰고 있죠.


    7. 교수님의 강연에서 인간중심 제품 설계 기술을 위해서는 환경적인 어려움이 있을 거 같습니다. 실제 어떤 어려움이 있고 이를 어떻게 극복하시는지요?

    인간중심 제품혁신 연구센터는 세 그룹으로 나눠서 연구를 했는데, 전공들도 다 다릅니다. 교수가 13명으로 한 가지 주제로 연구하는데요. 그중 몇 명은 다른 일도 하면서 다양하게 연구하게 되었습니다. 우리는 송재복 교수(고려대학교 前 한국 로봇공학회장)와 함께 -로봇을 쓰다 보면 사람과 부딪히고 부상이 많으니- 부상 회피 로봇을 협업으로하고 있고, 김건희 교수(서울대학교 컴퓨터공학부, 인공지능 로봇 전공)와 요 척추 분야 설계, 또 기저귀 센서를 개발하여 연구하고 있습니다.

    인간중심 제품 설계 기술에 대한  연구를 끝난 지 3~4년이 되어갑니다. 지금은 각자 연구하지만, 기존 연구센터는 전공에 맞게 이어서 연구하고 있습니다. 자기 전공 중 보통 과제 몇 개 더 있으니까 그중 일부를 함께 맞춰서 연구 센터가 있을 때는 서로 협업을 했습니다. 아직 가상(virtual)의 환경에서 설계를 완성하는 작업은 가까운 시일 내에는 어려울 것 같고, 모션측정 등 실제 실험을 병행해야 하는 점에서 한계가 있습니다. 또 인체 모델도 모션측정에 사용되는 동역학적 모델은 많이 개발되어 있으나, 생체역학적 분석에 필요한 유한요소모델은 해석의 목적에 따라 개발해야 하므로, 일반적으로 사용할 수 있는 모델은 없다고 생각합니다. 다만 이러한 모델을 개발하는 방법론을 정립하면 다른 연구자들이 그 방법을 사용할 수 있을 것입니다. 따라서 연구자는 자신의 해석목적에 맞게 모델을 개발해야 한다고 생각합니다.


    8. 2020년 10대 전략 기술 트렌드 핵심은 인간중심의 설계라고 하는데요. 우리나라의 현재 위치라고 해야 할까요. 어느 정도 수준, 어떻게 평가하시는지 교수님의 생각이 궁금합니다.

    2005년도 인간 중심설계라는 용어를 공학 분야에 아마 제일 먼저 들고 나오지 않았나 싶어요. 우수 연구센터를 2005년도에 냈다가 떨어졌고, 2007년에 받았는데요. 그때 이미 스탠퍼드등의 외국 대학들은 Human-centered Design이라는 식의 개념들이 있었던 것 같아요. 생체역학의 기본은 주로 동작을 분석 하는 것을 의미하는 겁니다. 우린 좀 뒤늦게 용어를 사용하는데, 우리 분야가 혼자 쓰는가 했는데 최근에 보니 디자인하는 사람들도 이 용어를 쓰더라고요. 인간중심 설계는 KAIST에서 나온 "공학이란 무엇인가?" 책을 읽다 보니 디자인하는 사람이 1장을 썼는데, 인간중심 설계가 이제는 심리적인 것도 포함해서 여러 가지 측면이 있고, 우리 기계공학과는 그중 한 측면을 이야기하는 것이라고 하면서 디자인하는 사람들은 많이 사용하고 있더라고요. 언제부터 썼는지는 모르지만, 인간중심 설계라는 건 뭐 굉장히 다양하죠. 이미 우리 생활에 많이 들어와 있죠. 의자 디자인도 인간중심 설계고, 자동차 시트도, 모든 게 인간중심 설계입니다. 그렇지만 기계공학을 하는 우리는 이것을 구체화 시켜서 인체 실험을 안 해도 인체의 디지털 모델을 가지고 제품모델과 같이 가상의 공간에서 시뮬레이션을 하여 결과를 빨리 얻는 것을 이 용어로 사용하는 거죠. 앞으로 기계공학과는 그런 방향으로 많이 나가지 않을까 생각해 보고 있습니다.


    9. 교수님께서 생각하시는 인간 중심 제품설계 기술을 활용한 여러 연구들에 대한 국외 상황을 구체적으로 설명해 주신다면 어떤 실정인가요?

    외국은 인간 중심설계라고 동작을 분석하고 해석하는 프로그램들이 많이 있습니다. 인체를 강체로 놓고, 관절로 연결되어 움직임에 따라서 근육에 힘이 얼마나 걸리는지 해석하는 소프트웨어는 다 외국에서 만들었습니다. 그러니까 굉장히 앞서있죠. 우린 그 소프트웨어를 갖다 쓰고 있는데요. Life-Mode(Motion Analysis software), Anybody(www.anybodytech.com), SIMM(Software for Interactive Musculoskeletal Model ling) 등 동작분석에서 관절에 작용하는 힘이나 Muscle Force까지 계산한 건 많이 앞서 있습니다.
    나이키 회사에서도 농구화나 신발 디자인할 때 거의 이 프로그램을 사용하고 있는 거 같아요. 점프했을 때 어떤 힘이 걸리나등을 계산하는데, 제가 보기엔 아직 못하는 게 무릎관절, 발목관절에 어떤 응력분포가 생기는지 이러한 FEM(Finite Element Method : 유한요소법)은 아직 도입을 안 한 것 같아요. 지금은 FEM을 이용해서 서 있을 때 자세만 하지. 걸어 다닐 때 이게 어떻게 일어나느냐 같은 거는 FEM 모델로 한 번 만들어 놓은 걸 또 움직여야 합니다.  이런 작업은 어렵고 못 하는데, 우리가 제안할 수 있지 않을까 생각이 듭니다. 처음 지난 한 2년간 외국 저널에 투고를 했는데 거절되었어요. 우리하고는 관계없다는 식으로 그랬는데, 요즘은 좀 받아들여지고 있어요.




    10. 제일 생각나는 제자나 기억나는 협력자가 있으신지요?

    김건희 교수와 창업을 두 번 같이했고, 또  쓸 만한 걸 만들었습니다. 지금 몇십군데 한의원들에서 쓰고 있으니까 의미가 있었다고 생각을 하고요. 최근 2~3년 전 다시 또 회사를 차려서 기저귀 센서(케어벨)를 만들었습니다. 기저귀 센서는 기저귀에다가 센서를 붙이면 되는데요. 대변은 잘 안 돼요. 소변은 확실하게 픽업해서 핸드폰으로 보내줍니다. 








    11. 지금 혹시 진행 중인 다른 연구라든지 앞으로 진행 계획이 있으신 연구가 있으신가요?

    동작 분석하는 연구와 인체 응력을 해석하는 연구를 계속  진행하고 있습니다.  어깨관절연구와 임플란트는 의사와 함께 연구하고 있고, 그건 내년에 마칠 거고요. 새로 창업한 비욘드랩은 앞으로 은퇴하면 계속할 예정입니다. 사실 기저귀 센서에 대해서 현재 개발한 게 있고, 케어벨 시리즈로 개발 중인 것도 있고 그렇습니다.


    12. 교수님께서 창업하신 비욘드랩 회사에서 개발하신 케어벨에 대해서 이야기해주신다면.

    기저귀 센서의 경우 인터넷에 올라오는 항목을 쭉 봤는데요. 실제 네이버에 검색해보면 우리 케어벨이 매출 1위로 나오거든요. 평가도 제일 많고, 대체로 긍정적인 평가인데요. 부정적인 내용은 대변은 안 된다. 배터리가 떨어진다고 뭐 이런 거고. 시판전에 몇 천 개 만들었는데 지금은 다 팔려서 100개도 안 남았어요. 몇 천 개 만들면 이걸 팔려고 또 선전을 해야 하는데. 지금은 선전보다는 아예 대변까지 완벽하게 되는 것을 개발하고 있습니다. 우리가 샘플을 만들어서 요양병원에서 필드테스트를 했는데요. 대변과 소변의 90% 가까이 검사가 되었습니다.


    13. 후배들에게 창업에 대해 조언해주신다면.

    아이디어로 창업하면 그 아이디어 누가 베끼는건 금방이에요. 포스코에서  기술투자에 관해  조사한 거로 보면 우리나라는 창업에 성공한 평균연령이 39세라고 합니다. 졸업하고 회사 경험을 쌓고, 네트워크도 형성한 다음 자기 아이템을 가지고 나와 창업한다면 39세가 되죠. 기계는 제조업이 거의 90%인데요. 소프트웨어 창업이 아니고-간혹 배달의 민족 같은 것도 생길 수도 있지만,-그런 경우는 매우 적습니다. 창업에는 상당한 네트워크가 있어야 하고 기술이 있어야 해요. 그럴 거라면 학생 때는 창업보다는 공부를 해야 합니다. 공부를 하면서 창업정신을 가지고 계속 기술을 쌓아가야합니다. 학생 때 창업은 위험하다고 봐요. 현실을 알고 있어야지 그러지 않으면 위험하다고 봐요.


    14. 앞으로 관련 분야를 공부하는 후학(대학원생들)에게 이 분야의 연구에 대한 비전을 제시해 주신다면?

    연구를 하다가 제품까지 연계가 되면 괜찮은데요. 약간 걱정이 되는 게 생체 역학쪽의 연구만 하게 되면 연관된 산업이 많이 없어요.  좀 부정적인 얘기인데요. 학생들에게 생체역학적 연구만 하라고 하기에는 연관된 산업이 없어 취업이 어렵습니다. 앞으로 필요한 기술들은 유한요소 해석이나 동작 분석 등 여러 가지 역학적인 기술을 CAE(Computer-Aided Engineering)란 범주에서 어느 분야에나 다 쓸 수 있는 건데요. 생체 역학과 연관된 의료기기 회사들이 아직 영세하기에 힘듭니다.  앞으로 좀 더 나아간다면 골프등으 운동에 적용할 수는 있겠지만 시작단계이기 때문에 저도 대학원생들한테 꼭 생체역학뿐만 아니고, 좀 더 기계공학 전반의 설계를 포함한 연구를 진행하려 합니다. 그래야 현실적으로 취업할 때도 도움이 되고 하니까 그렇습니다.


     

    * 인터뷰 진행:  권유리 리포터
    * 촬영 및 편집 : 박수진(event1412@hanmail.net)

    • 페이스북아이콘
    • 트위터 아이콘

    전체댓글 1

    [로그인]

    사용자 프로필 이미지
    |2020.01.02
    인간 중심의 제품설계, 이제는 최우선으로 고려해야될 떄인거 같습니다. 인터뷰 잘 보았습니다. 감사합니다.
    댓글 입력란
    프로필 이미지
    0/500자
    댓글 입력란
    프로필 이미지
    0/500자

    서브 사이드

    서브 우측상단1