서론

 

1. 저출산 고령의 시대

저출산 고령의 시대를 맞이한 일본은 2014년에 ‘국민의 건강 수명이 연장되는 사회’를 제창하고, 2025년 완성을 목표로 ‘고령자의 개호 예방’, ‘현역 세대에서부터 건강 조성 대책’, ‘의료 자원의 유효 활용을 위한 대처’에 관한 시책을 추진해 왔다. 또한 같은 시기의 여러 나라에서도 사람들의 심신 기능, 영양 상태, 사회 참여를 개선함으로써 건강 수명을 연장시키려는 노력이 폭넓게 이루어져 왔다. 일본 내각부의 평균 수명과 건강 수명의 추이에 관한 통계에 의하면 2016년과 2019년의 비교에서는 평균 수명과 건강 수명이 남녀 모두 연장되고, 동시에 이들의 차이는 남녀 모두에서 감소하고 있기 때문에 건강 수명의 연장에 관한 지금까지의 시책에는 일정한 효과가 있었다고 생각된다.

 

한편, 최근 10년 동안 ‘자기긍정감’이나 ‘자기효력감’ 등의 개념이 사회적으로 주목받아 건강하게 살아가기 위한 의욕을 유지하는 방법론에 대해 논의되어 왔는데, 생활자의 자기긍정감이나 자기효력감을 효과적으로 높이는 기술은 확립되어 있지 않다. 당사자의 건강 상태에 대한 의식이나 인지가 높아지고, 건강에 이르는 행동이나 의욕이 자연스럽게 생겨나는 방법은 아직 알 수 없다. 앞으로 이러한 질문을 과학적으로 해명해 저출산 고령 사회를 지탱하는 기술 기반을 정비해 갈 필요가 있다.

 

2. 연구의 목적

이 글에서 말하는 공생형 로봇 AI는 생활자의 행동을 적응적으로 학습해 개입하고, 개인에게 내재하는 건강 특성의 강화를 시도하는 로봇이나 AI 시스템의 총칭이다. 필자는 개호·의료·복지 시설의 청취 조사나 실증 시험의 경험으로부터 생활자와 상호 작용하는 공생형 로봇 AI에는 생활자의 인지나 행동을 변용시켜 자기긍정감이나 자기효력감을 높이는 힘이 있다고 느끼고 있다.

 

예를 들면, 개호 시설 내에서 생활하는 인지증 환자를 따라다니며 배회하는 것을 지켜보면, 야간의 불면이나 불온 행동이 개선되는 경우가 있다. 또한 배설할 가능성이 높은 시간대에 고령자를 화장실로 유도함으로써 배설 습관이나 배설의 지각이 돌아오는 경우가 있다. 바쁜 개호 직원이 이러한 지원을 일상적으로 하는 것은 곤란하지만, 공생형 로봇 AI는 이러한 지원의 일부를 대체하는 것이 가능하다. 본인의 직성이 풀릴 때까지 따라다니며 배회하는 것을 지켜보거나, 배설 센서와 연동해 예측적으로 화장실로 유도하거나 하는 등의 시간이나 젠더로 인한 이유로 인간에게는 어려운 작업이, 공생형 로봇 AI에게는 가장 잘할 수 있는 작업인 경우가 있다. 인간과는 다른 로봇이나 AI 시스템의 특성을 활용함으로써 지금까지 없었던 새로운 방법으로 건강 수명의 연장을 기대할 수 있다.

 

공생형 로봇 AI

 

1. 연구 시작 당시의 구상

이번 연구에서는 공생형 로봇 AI가 생활자와 상호 작용하는 경우로서 ‘보행’, ‘대화’, ‘식사’의 세 가지 경우를 가정해 연구 계획을 책정했다. 그림 1(a)에 연구 시작 당시에 구상한 연구 개요를 제시한다. 이들 세 가지 경우에 대응한 개발 대상을 설정, 생활자에 동조하고 개입하는 요소 시스템을 시제작했다. 그림 1(b)에 개발 대상을 나타냈다. 개발한 시스템의 일부는 개호 시설, 주간 서비스 시설, 병원, 재택 환경 등의 현장에서 기능 평가를 실시하고, 현재도 간헐적으로 계속하고 있다. 그림 1(c)에 연구 시작 당시의 연구 기반 시스템을 나타냈다. 연구 개발의 실시 체제로서 의과대학과 사회복지법인이 실험 평가에 협력하고, 설비기기 메이커와 장치 시제작 메이커가 연구성과물의 지적재산화와 실이용화에 협력하는 체제를 갖추고 있다.

 

 

2. 연구 개발의 현재 상황

연구 개발을 추진하는 과정에서 기술이 분화되어 현재는 각각 요소 기술로서 발전하고 있다. 표 1에 이번 연구의 요소 기술과 이에 대응하는 현장의 요구를 ‘시즈 기술 및 시제작기’, ‘현장 요구’로서 나타내고, 이들 시제작기의 기능 개요를 이하에 설명한다. 또한 이들 시제작기의 외관을 그림 2에 나타냈다(왼쪽 위에서 오른쪽 아래의 순서로 Lucia, Spina, Mani, Cibo, Camina, Memoria, Occhi, Parla, Orale , Mano). 시제작기의 상세에 대해서는 각각의 문헌을 참조하기 바란다.

 

 

 

· Lucia(루치아) : 이동 순찰에 의한 감시, 배회 검지의 통지, 장애자용 텔레프레전스(telepresence), 생리 계측, 보행 계측을 하는 헬스케어 로봇.

· Spina(스피나) : 척추 구조를 공학적으로 재구성한 모듈형 로봇. 각 모듈은 CAN 통신으로 연계해 협조 동작이나 보상 동작을 한다.

· Mani(마니) : 음식이나 음료를 입가나 손에 나르는 로봇. 커트러리를 이용해 음식을 나르고, 음식의 모양과 부피를 판정해 제공한다.

· Cibo(치보) : 식사 동작과 식탁 상태를 인식하는 시스템. 씹는 것을 검출하고 말을 걸어 오연을 방지한다. 시각 장애인에게 식사를 음성 안내한다.

· Camina(카미나) : 물리치료의 보행 테스트를 계측하고, 보행 동작을 평가하는 시스템. 요소 동작을 구분화해 보행의 가시화나 판정, 예측을 한다．

· Memoria(메모리아) : 일상적인 일의 사진이나 감상으로부터 생성되는 퀴즈에 응답해 추억을 유지한다. 미래의 일을 예감시켜 활력을 높인다.

· Occhi(오키) : 안정 피로에 의한 시력 저하의 회복이나 깊이 지각의 저하를 예방하는 주시 훈련 시스템. 주시 이동으로 안근을 스트레칭한다.

· Parla(팔라) : 설명 문장을 포함한 프레젠테이션 자료에서 시청각 정보를 보증한 설명이나 질문 대응을 하는 시스템. 설명 동영상을 생성한다.

· Orale(오랄레) : 혀를 이용해 기기를 조작하는 인터페이스. 혀의 상태를 광학적인 상으로서 계측한다. 의사 중심와로 섬세한 조작이 가능하다.

· Mano(마노) : 동심원 모양 체인 관절과 푸시풀 케이블에 의한 동력 전달로 손가락의 굴곡 신장을 보조한다. 미러 테라피를 실현한다.

 

헬스케어 로봇 Lucia

 

공생형 로봇 AI의 개발 사례로서 헬스케어 로봇 Lucia에 대해 소개한다. Lucia는 필자 등이 공생형 로봇 AI로서 개발한 로봇 시리즈이다. Lucia는 2015년부터 누계로 5종류의 기체가 개발됐으며, 2017년부터는 이와 병행해 순찰 감시만으로 기능을 좁힌 3종류의 양산 시제작기가 개발됐다. 양산 시제작기의 3호기는 ‘호두’로 제품화되어 있다. 호두를 제외한 양산 시제작기와 Lucia의 연구기는 각각 1대씩 총 7대, 호두는 총 10대가 만들어졌다. 모든 기체는 연구기관이나 개호 시설이 보유하고 있으며, 생활 지원 기능의 검증 시험 등에 이용되고 있다. 이 글에서는 Lucia의 주요 기능인 시설 이용자의 바이탈 측정에 관해 개인 공간을 고려한 사람에 대한 접근 방법과 바이탈 측정을 실시하는 암기구에 대해 설명한다.

 

1. 개인 공간을 고려한 궤도 생성

개호 시설 내를 이동해 사람에게 접촉하는 헬스케어 로봇에는 시설 이용자나 입원 환자에게 불쾌감을 주지 않도록 부드럽게 접근하는 능력이 요구된다. 이번 연구에서는 접근대상자의 지각이나 운동에 관한 공간적인 특성을 고려한 로봇의 접근 방법을 제안한다. 접근대상자에게 있어 로봇이 잘 보이고 접촉하기 쉬운 접근 궤도를 실현하기 위해 개인 공간의 개념에 근거한 포텐셜 필드(potential field)를 생성한다. 또한 포텐셜 필드에 장애물 배치에 관한 정보를 포함시킴으로써 장애물에 대한 충돌을 회피한다.

 

로봇이 개인 공간에 침입할 때의 심리적인 영향은 로봇의 외관이나 크기, 접근 속도 등에 따라 변동하는 것으로 나타나 있다. 로봇이 접근할 때의 심리적인 영향은 접근대상자의 체위나 인지 운동적인 특성, 질환이나 장애의 유무 등에도 영향을 받을 것으로 생각되는데, 이러한 인자를 고려한 로봇의 접근 방법은 충분히 검토되고 있지 않다. 특히 개호 시설 내에서는 입위, 의자 좌위, 휠체어 좌위, 침대 좌위 등 여러 가지 체위가 예상되기 때문에 이들 체위에 있는 접근대상자를 목표로 접근 이동하는 기능을 Lucia에 실장했다.

 

접근 이동의 모습을 그림 3 (a)에 나타냈다. Lucia는 접근대상자의 심리적인 특성과 장애물의 물리적인 특성을 통합해 열확산형 포텐셜 필드를 구성하고, 그 온도 구배에 기반해 궤도를 생성해 대상자에게 접근한다. 구체적으로는 사람의 개인 공간과 장애물을 저온 영역으로 설정하고, 목표 지점에 열원을 배치해 열을 확산시킨 후 온도의 최급구배 방향으로 이동을 반복한다. 양안 시야 또는 단안 시야를 가진 입위 상태에 있는 접근대상자를 가정한 포텐셜 필드와 접근 궤도를 그림 3 (b)에 나타냈다. 또한 접근대상자의 전방은 그림의 상향으로 하고, 단안 시야는 왼쪽 눈이 보이는 것으로 한다. 그림에 나타냈듯이 양안 시야의 대상자에 대한 접근 궤도는 좌우 대칭형이 되는데, 단안 시야의 접근 궤도는 왼쪽으로 치우치기 때문에 단안 시야의 접근대상자에게 있어 접근하는 로봇이 잘 보이게 된다.

 

 

2. 척추형 모듈 암

요양 시설이나 병원에서는 시설 이용자나 환자의 체온이나 혈압 등의 바이탈 정보를 축적해 전자 관리하는데, 바이탈 측정은 접촉을 수반하는 작업이기 때문에 직원이 하는 경우가 많고 로봇에 의한 측정의 자동화는 확립되어 있지 않다. 이번 연구에서는 시설 이용자나 입원 환자가 Lucia와 협조해 자조적으로 바이탈 측정을 하는 방법을 제안한다. 제안 방법에 의해 현장 직원의 업무 부담을 경감하고 당사자의 건강 관리 의식을 높인다. Lucia에 의한 바이탈 측정은 두부에 장비된 척추형 모듈 암(그림 3(c))과 바이탈 측정 핸들(그림 3(d))에 의해 실현된다. 척추형 모듈 암은 바이탈 측정 핸들을 유저의 앞에 도달시킨다. 바이탈 측정핸들은 유저가 파지함으로써 압력과 맥파를 측정한다. Lucia가 측정 대상자에게 접근해 핸들을 내밀면 측정 대상자가 핸들을 잡음으로써 자조적인 바이탈 측정을 실현한다.

 

척추형 모듈 암은 척추형 힘줄 구동 모듈 ‘Spina’를 6대 연결한 구조를 가지고 있다. 척추동물의 척추에는 신체를 견고하게 지지하면서도 유연한 가동역을 확보할 수 있다는 특징이 있는데, 이 구조를 로봇 암에 도입함으로써 견고성과 유연성을 양립할 수 있다. 또한 지금까지 많은 모듈형 로봇이 제안됐지만, 생리 계측을 목적으로 하는 예는 드물다. 이번 연구의 모듈은 ABS 수지제 원반 2장을 중심부에 배치한 당김 용수철을 끼워 넣는 구조를 가지고 있다. 2대의 모터가 원반 사이를 통과한 와이어를 감아 당김으로써 당김 용수철을 굴곡시켜 2자유도의 자세 변화를 실현한다. 모듈은 1기에서 ±30deg의 가동역을 가지며, 6기 연결에 의해 ±180deg의 넓은 가동역을 실현한다. 척추형 모듈 암의 신전 상태(0deg)와 굴곡 상태(180deg)를 그림 3(c)에 나타냈다. 그림에 나타냈듯이 척추형 모듈 암은 Lucia와의 고정부에 대해 바이탈 측정 핸들의 끝부분 자세를 반대 방향으로까지 굴곡시키는 것이 가능하다. 모듈에는 제어용 컨트롤러와 각종 센서가 탑재되어 모듈 단독으로 자신의 자세를 추정하고 제어할 수 있다. 모듈은 IMU, 인코더, 근접각 센서를 탑재해 모듈 간의 CAN 버스 라인으로 서로 통신하면서 협조 동작을 할 수 있다.

 

개호 의료 복지의 현장에서 시설 입주자나 환자의 바이탈 사인(맥박, 혈압, 체온, 호흡, 의식 수준)의 측정은 빼놓을 수 없는 업무이다. 체온이나 호흡은 비접촉식으로 측정하는 기술이 많이 보고되어 있지만, 혈압이나 산소포화도(Saturation of Percutaneous Oxygen, 이하, SpO2)는 접촉식 측정이 일반적이며 측정의 자동화가 확립되어 있지 않다. SpO2의 측정 수단으로 보급되어 있는 투과형 펄스 옥시미터는 손가락 끝을 끼워 넣을 필요가 있어 인지증 등의 환자에게는 측정이 어려운 경우가 있다. 한편, 반사형 펄스 옥시미터는 손가락을 접촉시키는 것만으로 측정할 수 있어 측정 시의 구속감이 작다. 이번 연구에서는 반사형 펄스 옥시미터를 채용하고, 간단히 잡는 동작으로 바이탈 측정이 가능한 핸들형 바이탈 측정 디바이스를 제작해 척추형 모듈 암의 끝부분에 실장했다.

 

바이탈 측정 핸들의 파지부에는 원통 형상의 기초부 표면에 8열의 직사각형 형상의 그립을 등간격으로 배치했다. 각 그립에는 3개의 홈을 설치하고, 홈 아래에는 압력센서를 배치했다. 파지부의 표면에 나타나는 3열의 동심원상 홈은 각각 엄지손가락과 검지, 중지, 약지와 새끼손가락의 접촉을 유도한다. 엄지손가락과 검지가 접촉하는 8개의 홈 내에, 3개의 홈 아래에 바이탈 센서를 배치했다. 파지부 전체에서는 24개의 압력센서와 3개의 바이탈 센서가 배치되어 있어 파지 상태의 검지와 함께 산소포화도(SpO2), 심박수(HR), 혈압(BP)을 동시에 측정할 수 있다. 그림 3(d)에 바이탈 측정 핸들의 외관과 센서부를 나타냈다.

 

맺음말

 

1. 지금 현장에서 요구되고 있는 것

개호 의료 복지의 현장에서 지금 요구되고 있는 것은 무엇인가, 또한 그것에 어떻게 대응해 가야 하는가에 대해서 생각해 본다. 필자 등이 실시한 개호 시설이나 장애자 시설의 현장 직원의 청취 조사에 의하면, 지금 현장에서 요구되고 있는 항목으로서 ‘고령자, 장애자, 환자의 인지 운동과 커뮤니케이션의 활성화’를 들 수 있다. 자신의 심신 상태나 그 변화를 의식하는 것, 또한 사람과의 교제를 깊게 함으로써 자신의 가치를 자연스럽게 자각하는 기회가 생긴다. 자기긍정감이나 자기효력감이 높아지면, 살아가는 의욕을 유지할 수 있고 건강 수명의 연장으로 이어질 것이라고 기대할 수 있다. 한편, 이러한 현장의 요구에 대해 공학 분야에 종사하는 연구자의 책무로서 피개호자와 개호자를 연결하는 로봇이나 AI 시스템의 실현을 제창하고 싶다. 인간과 공생형 로봇 AI가 협동하는 현장 환경을 구축해 공생형 로봇 AI가 인간보다 우위가 되는 작업을 하나라도 더 발견해 현장의 작업을 적절히 분담해 나가는 것이 앞으로 중요해질 것으로 생각된다. 공생형 로봇 AI가 우위가 될 가능성이 있는 역할과 그 배경에 대해 예를 든다.

 

· 피개호자의 정신 부담을 완화한다(부탁하는 부담 저감·동성 개호의 대체)

· 개호자의 정신 부담을 완화한다(듣는 부담 저감·인지증 대응)

· 피개호자의 안전 안심을 지킨다(학대 방지·감염 방지)

· 개호자의 안전 안심을 지킨다(갑질 행위 방지·개호 행위의 정당성 입증)

· 피개호자와 개호자를 연결한다(관계의 고정화 방지·예측 불가능한 재미나 화제의 제공)

 

2. 공학 연구자의 사회적 사명

건강 수명의 연장을 위해 공학 분야에 종사하는 연구자가 앞으로 해야 할 사회적 사명은 무엇일까. 필자는 지금까지 행정이나 산업에 종사하는 협력자와 연계해 인간과 공생하는 로봇이나 AI 시스템의 보급 도입에 대응해 왔다. 인간끼리의 공생 사회의 틀을 넘어 인간과 기계가 학습해 서로를 보완하는 인간 기계의 공생 사회를 구축하는 것이 대응의 목적이다. 인간 기계의 공생을 위해 사회 실장을 추진할 때의 과제로 공생형 로봇 AI의 행동 책임의 문제가 있다. 제조자나 운용자가 져야 할 책임이 위험으로 간주되어 현실적으로 공생형 로봇 AI의 제조 판매나 현장 도입에 방해가 되고 있다.

 

한편, 현장에서는 특정 기능 외국인으로서 입직하는 외국 국적의 개호 직원이나 해외 연수생이 증가하고 있다. 현장의 목소리에 의하면, 외국 국적의 직원은 말이 잘 통하지 않는 반면, 감정 표현이 풍부하고 커뮤니케이션을 충분히 해 준다고 시설 이용자로부터 평가가 높다. 마찬가지로 인간과 기계의 공생에도 장점이 있을 것이며, 국적을 초월한 인간끼리의 공생을 참고로 인간 기계의 상리적인 공생을 이끄는 자세가 중요하다고 생각된다. 공생형 로봇 AI가 다양성 대응과 안전 안심을 담보하는 존재로 인식되어 현장에 보급 도입이 진전되기를 바란다.