시뮬레이션을 활용하여 단일 에어백이 다중 에어백 시스템보다 안전성 및 신뢰성이 높음을 확인

휠체어 사용자의 보행 지원

수많은 사람들이 질병이나 부상으로 인해 휠체어 없이는 걸을 수 없습니다. 휠체어 기술이 어느 정도 발전했음에도 휠체어 발명 이후 상당한 진전이 없었으므로 기립 및 보행 능력을 제공하는 데는 여전히 역부족입니다. 첫째, 주변 사람들과의 높이 차이에서 비롯되는 사회적 영향이 존재합니다. 둘째, 휠체어 사용에 있어서 장시간 앉아 있는 자세는 골밀도 감소, 골다공증, 근육 위축, 욕창, 경련, 혈압 변화, 관절 문제, 심혈관 질환과 같은 건강 문제를 초래할 수 있습니다.

니콜라스 시몽(Nicolas Simon)의 가족 중 몇 명은 샤르코 마리 투스(Charcot-Marie-Tooth)라는
퇴행성 질환을 앓고 있으며, 이 질병은 진행기에 휠체어를 사용해야 하는 경우가 많습니다.

관련한 치료법이 알려지지 않았기 때문에 Simon은 대안을 제시하고 싶었습니다. 이에 따라 2012년, 하반신 장애가 있는 사람들이 다시 보행할 수 있도록 외골격을 개발하기 위해 Wandercraft를 설립했습니다.

이 회사는 병원의 재활 환경에서 Atalante X를 구축하고 구현했지만 설립 비전을 의료 환경 너머로 확장하기를 원합니다. "사람들이 더 많이 자율적으로 움직이고 의사나 물리치료사가 있는 통제된 환경에서뿐만 아니라 일상 생활에서도 이러한 외골격을 사용할 수 있기를 원합니다." Wandercraft의 CTO(최고 기술 책임자)인 Fabien Expert는 이렇게 말합니다. "미국에서만 척수 손상 환자가 300,000명이 있으며, 이들이 현재 형태의 외골격을 사용하면 유익할 것으로 추정됩니다. 향후 버전에서 설계를 조정하면서 다른 병리학, 뇌졸중 재활, 다발성 경화증으로 확장하여 더 많은 사람들에게 적합하게 만들 수 있기를 바랍니다."

이 목표를 달성하기 위해 Wandercraft는 Siemens Digital Industries Software의 Simcenter™ Madymo™ 소프트웨어를 채택했습니다. 주로 자동차 산업을 위해 개발된 Simcenter Madymo는 탑승자 및 보행자 안전을 향상하는 솔루션을 더 빠르게 개발하는 데 사용됩니다. Simcenter Madymo는 소프트웨어, 하드웨어, 서비스로 구성된 Siemens Xcelerator 비즈니스 플랫폼의 일부입니다.

추가 부상 위험 완화

이 장치를 거리에서 사용되도록 제작하는 것은 중요한 단계입니다. "안전은 그 무엇보다 중요합니다."라고 Expert는 설명합니다. "우리가 돕고 있는 사람들은 휠체어를 타고 자유롭게 이동할 수 있습니다. 이들은 외골격을 통해 일어서고 걸을 수 있지만 추가적인 부상의 위험을 완화해야 합니다. 예를 들어 넘어져 골절이나 머리 부상을 입는다면, 이전보다 훨씬 더 심각한 상황에 처하게 될 것입니다."

외골격이 이미 제 기능을 발휘하는 것으로 입증되었으므로 Wandercraft는 사용자가 추가적인 장기 부상을 초래할 수 있는 사고 가능성을 우려하지 않도록 사용자를 보호하기 위해 외골격을 조정해야 했습니다.

개인용 에어백 시스템

Wandercraft는 차량에 사용되는 에어백에서 아이디어를 얻어 인체에 가해지는 충격을 완화하고 부상을 최소화하도록 설계되었습니다. 외골격은 시스템의 질량 중심이 뒤쪽에 있도록 설계되었기 때문에 정전이 발생하면 균형을 잃어서 사용자가 당연히 뒤로 넘어집니다. 즉 뒤쪽에 에어백을 설치하면 사용자를 보호할 수 있습니다.

그러나 에어백의 효과를 보장하는 데 상당한 해석과 평가를 실행해야 했습니다. 사용자를 방해하지 않으면서 외골격에 손쉽게 추가할 수 있어야 할 뿐만 아니라 낙상 시 부상 위험을 크게 줄일 수 있는 충분한 보호 기능을 제공해야 했습니다.

"그러려면 먼저 실현 가능한지 파악해야 했습니다."라고 Expert는 말합니다. "낙상을 감지한 다음 0.5초 이내에 에어백을 전개할 수 있어야 합니다. 에어백을 여러 개 사용하는 것이 좋을지 아니면 하나만 사용하는 것이 좋을지 결정하고, 외골격에 너무 많은 무게를 추가하지 않으면서 충분한 보호 기능을 제공하도록 정확한 크기를 맞추는 것이 중요했습니다."

이를 테스트하기 위해 물리적 프로토타입을 제작할 때 에어백을 각각 수작업으로 만들어야 했기 때문에 시간이 많이 걸릴 수 있습니다. 물리적 더미를 사용하면 사용자의 잠재적인 부상에 대한 전체 데이터를 얻지 못할 수 있습니다. Wandercraft는 인체를 완전히 복제하고 낙상 시 에어백의 인체 보호 정도를 예측할 수 있는 더 빠른 솔루션이 필요했습니다.

FEA와 멀티바디 시뮬레이션 결합

처음에 Wandercraft는 FEA(유한 요소 해석) 시뮬레이션 도구를 사용했지만 필요한 데이터를 확보하기에 충분하지 않았습니다. 메카니컬 엔지니어링 책임자인 Maxime Beck은 "어떤 부상이 발생할 수 있는지 파악하기 위해 환자를 정확하게 모델링하는 방법을 갖추지 못했습니다."라고 설명합니다. "별도의 멀티바디 시뮬레이션 도구가 있었지만 두 도구를 결합할 수 있는 솔루션이 필요했습니다."

이러한 문제를 해결하기 위해 Wandercraft는 스트라스부르 대학교에 연락했습니다. "이 대학에서 Simcenter Madymo를 소개해 주었습니다."라고 Beck은 말합니다. "가속도와 각속도를 측정할 수 있었지만 환자에게 미치는 충격을 예측하는 데 어떻게 사용해야 할지 알지 못했습니다. 스트라스부르 대학교는 Simcenter Madymo로 시뮬레이션을 생성하고 인체 모델을 사용하여 사용자에게 미치는 영향을 측정하는 방법을 보여주었습니다.

"Simcenter Madymo는 에어백의 성능에 대한 많은 모델을 보유하고 있기 때문에 이를 차량의 안전 시뮬레이션에 사용했을 때 상당한 이점이 있었습니다. Simcenter Madymo를 통해 시뮬레이션 결과를 물리적 테스트 결과와 일치시킬 수 있었고, 이를 통해 작업을 계속할 수 있다는 확신을 얻었습니다. 그러면 설계를 변경할 때마다 새로운 프로토타입을 제작할 필요 없이 반복할 때마다 최적화할 수 있었습니다."

설계 간소화 및 개발 시간 단축

시뮬레이션의 가장 중요한 결과 중 하나는 주로 안전성을 극대화하기 위해 얼마나 많은 에어백을 사용해야 하는지 결정하는 것이었지만 장치의 비용 효율을 극대화하는 데도 사용되었습니다. "시뮬레이션을 통해 여러 에어백으로 실험할 수 있었지만 에어백이 많다고 해서 사용자 보호 정도가 더 증가하지 않는다는 것을 알았습니다."라고 Beck은 말합니다. "각 에어백에는 고유한 가스 및 트리거 메커니즘이 필요하므로 장착된 에어백 수가 증가할수록 설정이 더 복잡해집니다.
하나의 대형 에어백이 두세 개의 소형 에어백만큼 많은 보호 기능을 제공한다는 것을 파악하고 복잡성을 줄여 전체 장치를 더 손쉽고 저렴하게 제조할 수 있었습니다."

사실, 에어백이 하나만 있으면 비용 효율적일 뿐만 아니라 안전하기도 합니다. 다중 에어백 시스템은 각 에어백에 기반하여 정확한 순간에 작동합니다. 에어백 하나가 작동하지 않으면 보호 기능을 전혀 제공하지 않는 것과 같습니다. 시스템이 복잡할수록 고장 가능성이 높아집니다. 따라서 시스템은 하나의 에어백과 하나의 트리거만 설치해도 즉시 신뢰성이 높아졌습니다.

Expert는 Simcenter Madymo를 사용하여 엔지니어링 개발 시간도 크게 절약했다고 말합니다. "실제 프로토타입은 한 번에 엔지니어 한 명이 제작하는 데 3일이 걸렸습니다. 이 프로세스는 상당히 독특해서 사내에는 필요한 기술을 갖춘 사람이 단 한 명밖에 없었습니다. 시뮬레이션이 없었다면 이론을 테스트하기 위해 각 반복 사이에 이렇게 오래 시간 기다렸을 것입니다. 최적의 설계에 도달하는 데 너무 많은 시간이 걸리므로 실용적이지 않았을 수 있습니다.

"프로토타입을 제작하면 테스트를 설정하는 데 꼬박 하루가 걸리지만 단 몇 시간 만에 원하는 매개변수로 시뮬레이션을 구성할 수 있습니다."

규정, 개선 사항, 새로운 기능

이제 Wandercraft는 외골격의 안전성을 확신하게 되어 필요한 규정을 통과하기 위해 추가 테스트를 수행하고 있습니다. "2025년 말 이전에 완전한 규제 승인을 받기를 희망합니다."라고 Expert는 말합니다. "그러면 출시하여 사람들이 일상 생활에서 우리의 외골격을 사용할 수 있을 것입니다."

그러나 이것은 시작에 불과합니다. 시뮬레이션 덕분에 첫 번째 장치를 개발할 수 있었으므로 Wandercraft는 향후 제품을 개선할 때도 시뮬레이션을 계속 활용할 것입니다. "환자를 휠체어에서 내리게 하겠다는 첫 번째 목표를 달성했습니다."라고 Expert는 말합니다. "하지만 이 목표는 환자에게 그 이상의 의미가 있습니다. 이들이 부상으로 인해 자유를 잃었거나 특정 장애를 가지고 태어나서 자유를 누려보지 못했거나 간에, 새로운 자유를 경험하기 시작하면 더 많은 자유를 요구할 것임을 알고 있습니다. 이러한 요구를 충족하기 위해 추가 기능을 개발하고자 합니다.
Simcenter Madymo 덕분에 이러한 새로운 기능을 갖춘 장치가 사용자에게 안전하다는 것을
항상 보장할 수 있을 것입니다."