KR20050003689A - 전기적 자극을 이용한 미세 인공 근육 제어 방법 및 장치 - Google Patents

전기적 자극을 이용한 미세 인공 근육 제어 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 비정상 근육을 대체하도록 장착되고, 미리 지정된 전기적 자극에 의해 수축 또는 팽창 작용을 하는 모방 근육부와, 모방 근육부의 일측에 부착되어 모방 근육부에 전기적 자극을 전달하는 전극부와, 전극부의 일측에 부착되고, 모방 근육부의 수축 또는 팽창 작용을 제어하기 위해 전극부에 전기적 자극을 제공하는 임플란트부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기적 자극을 이용한 미세 인공 근육 제어 방법 및 장치에 관한 것으로, 전기적 자극에 의해 활성되는 나노 섬유(Nano Fiber)를 이용하여 노화 등에 따른 근육의 기능 퇴화나 사고 등에 의한 기능 손실의 보상이 가능하다.

Description

전기적 자극을 이용한 미세 인공 근육 제어 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLLING FINE ARTIFICIAL MUSCLE USING ELECTRICAL STIMULUS}
본 발명은 전기적 자극을 이용한 미세 인공 근육 제어 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 전기적 자극에 의해 활성되는 나노 섬유(Nano Fiber)를 이용하여 노화 등에 따른 근육의 기능 퇴화나 사고 등에 의한 기능 손실의 보상을 가능하게 하는 전기적 자극을 이용한 미세 인공 근육 제어 방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 인간의 노화에 따라 신체의 여러 부분에서 노화 현상이 나타난다. 예를 들어, 인간의 노화에 의해 수정체의 노화 현상인 노안(老眼, presbyopia), 안구의 압력이 병적으로 상승하여 시신경 장애에 의해 시력이 약해지는 녹내장(綠內障, glaucoma) 등이 발생할 수 있고, 이는 사물에 대한 원근 순응력의 상실 또는 안구의 압력(OP : Intraocular pressure)의 상승으로 인한 실명의 원인이 될 수 있다.
특히, 노안의 경우 여러 가지 원인이 있겠지만 수정체 자체의 경화나 수정체가 조금씩 자라나서 모양체소대가 역할을 못하여 일어나는 경우가 많다.
그리고, 노안을 치료하기 위한 치료 방법으로서 샤카 박사는 미국특허 제6, 299,640호에서 인공기관을 안구의 공막 조직 내에 삽입하여 하측의 모양체와 함께 공막을 영향력 있는 영역으로 팽창시키는 모양체 위쪽 영역에 있는 공막 상에 반경방향 외측으로 잡아당기는 힘을 가하여 모양체근의 유효작동거리가 회복되어 원근조절 정도를 증가시킬 수 있는 방법을 제시하였다.
그러나, 이러한 방법은 모양체에 직접 시술하여 모양체근의 탄력을 보강 또는 대체하도록 하는 개념에는 이르지 못하는 한계를 가지고 있었다.
또한, 종래 방법으로는 사고 등에 의한 근육의 기능 손실시 이를 회복하기 위한 적절한 방법을 제시하지 못하고 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 전기적 자극에 의해 활성되는 나노 섬유(Nano Fiber)를 이용하여 노화 등에 따른 근육의 기능 퇴화나 사고 등에 의한 기능 손실의 보상을 가능하게 하는 전기적 자극을 이용한 미세 인공 근육 제어 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전기적 자극에 의해 활성되는 나노 섬유를 이용하여 수축 및 이완 등의 근육과 유사한 작용을 할 수 있도록 하여 기능 상실 또는 손상된 근육을 대체할 수 있도록 하는 전기적 자극을 이용한 미세 인공 근육 제어 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 근육의 수축, 이완 정도를 정확하게 계산하여 환자 개개인이 모방 근육(즉, 나노 섬유)을 삽입한 이후에도 활동상의 불편함이나 시각적인 불쾌감을 유발하지 않도록 하는 전기적 자극을 이용한 미세 인공 근육 제어 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 미세 인공 근육 제어 장치의 구성을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 임플란트부의 구성을 나타낸 블록 구성도.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 미세 인공 근육 제어 장치로의 전원 공급 방법을 설명하기 위한 블록 구성도.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 센싱 제어부의 상세 구성을 나타낸 블록 구성도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110 : 모방 근육부 120 : 전극부
130 : 임플란트(implant)부 210 : 수신부
220 : 직류 전원부 230 : 센싱 제어부
410 : 센싱부 420 : 제어 신호 발생부
430 : 제어 상태 표시부
상기 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 미세 인공 근육 제어 장치에 있어서, 비정상 근육을 대체하도록 장착되고, 미리 지정된 전기적 자극에 의해 수축 또는 팽창 작용을 하는 모방 근육부-여기서, 상기 비정상 근육은 노화된 근육, 기능 상실된 근육 중 어느 하나임-와, 상기 모방 근육부의 일측에 부착되어 상기 모방 근육부에 전기적 자극을 전달하는 전극부와, 상기 전극부의 일측에 부착되고, 상기 모방 근육부의 수축 또는 팽창 작용을 제어하기 위해 상기 전극부에 전기적 자극을 제공하는 임플란트부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기적 자극을 이용한 미세 인공 근육 제어 장치가 제공된다.
상기 임플란트부는 외부 전원 공급부로부터 수신되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 충전하는 전원부와 상기 모방 근육부의 수축 또는 팽창 작용을 제어하기 위한 제어 신호(예를 들어, 구형파, 삼각파, 정현파, 계단파 또는 상기 파들의 조합한 파형 등)를 생성하여 상기 전원부 또는 상기 전극부로 제공하는 센싱 제어부-여기서, 상기 제어 신호는 전원 제어 신호, 센싱 제어 신호 중 적어도 어느 하나를 포함함-를 포함할 수 있고, 상기 전원부는 상기 센싱 제어부로부터 상기 전원 제어 신호가 수신된 경우, 상기 전원 제어 신호에 상응하는 전기적 자극을 생성하여 상기 전극부에 전달할 수 있다.
또한, 상기 센싱 제어부는 상기 모방 근육부가 수축 또는 팽창 작용이 필요한지 여부를 검출하여 검출 신호를 생성하는 센싱부와, 상기 검출 신호를 이용하여상기 제어 신호를 생성하는 제어 신호 발생부를 포함할 수 있다. 그리고, 상기 센싱 제어부는 상기 센싱 제어부의 동작 상태를 검사하여 정상 동작 여부를 통지하는 제어 상태 표시부를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 미세 인공 근육 제어 장치는 외부장치로부터 제어 입력 신호를 수신하는 제어 신호 수신부와, 상기 제어 신호 수신부로부터 수신된 제어 입력 신호에 상응하는 전원 제어 신호를 생성하는 외부 제어 신호 발생부를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 외부장치는 리모콘인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 센싱 제어 신호는 미리 계산된 반복 운동 주기와 시간 차이에 따른 상기 모방 근육부의 제어를 위한 정보이고, 상기 전원부에 의해 제공되는 직류 전기에 첨가되어 상기 모방 근육부로 전달되는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 상기 모방 근육부는 전하방사(electrospinning) 방식에 의해 생성된 나노 섬유(nano fiber) 물질이고, 상기 모방 근육부는 상기 나노 섬유 물질이 단사 또는 합사 형태로 이루어진 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 상기 모방 근육부는 전기적 자극에 수축 이완등의 반응을 하는 고분자(Polymer)(예를 들어, 전기 활성 하이드로겔(Electroactive Polymers))일 수 있다.
또한, 상기 전극부는 나노 섬유(nano fiber) 또는 인체에 무해한 생체 적합성 전극이고, 상기 생체 적합성 전극은 바늘형, 판형, 원형 전극 또는 이들의 조합 중 어느 하나일 수 있다. 그리고, 상기 전극부는 단일 전극 또는 어레이 형태의 전극일 수 있다.
상기 전원부는 전기장 또는 자기장 중 적어도 어느 하나에 의해 상기 외부전원 공급부로부터 교류 전원을 공급받을 수 있다.
그리고, 상기 모방 근육부, 상기 전극부 및 상기 임플란트부는 인체의 피부 내부에 장착되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따르면, 미세 인공 근육 제어 장치에 있어서, 비정상 근육을 대체하도록 장착되고, 미리 지정된 전기적 자극에 의해 수축 또는 팽창 작용을 하는 모방 근육부-여기서, 상기 비정상 근육은 노화된 근육, 기능 상실된 근육 중 어느 하나임-와, 상기 모방 근육부의 일측에 부착되어 상기 모방 근육부에 전기적 자극을 전달하는 전극부와, 외부 전원 공급부로부터 수신되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 충전하는 전원부와, 상기 모방 근육부의 수축 또는 팽창 작용을 제어하기 위한 제어 신호를 생성하여 상기 전원부로 제공하는 센싱 제어부-여기서, 상기 제어 신호는 적어도 전원 제어 신호를 포함함-를 포함하되, 상기 전원부는 상기 센싱 제어부로부터 상기 전원 제어 신호가 수신된 경우, 상기 전원 제어 신호에 상응하는 전기적 자극을 생성하여 상기 전극부에 전달하고, 상기 모방 근육부, 상기 전극부, 상기 전원부 및 상기 센싱 제어부는 인체의 피부 내부에 장착되는 것을 특징으로 하는 전기적 자극을 이용한 미세 인공 근육 제어 장치가 제공된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 다만, 본 발명에 따른 전기적 자극을 이용한 미세 인공 근육 제어 방법 및 장치를 설명함에 있어 노안을 보완하는 방법을 예로 들어 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 미세 인공 근육 제어 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 미세 인공 근육 제어 장치는 모방 근육부(110), 전극부(120), 임플란트(implant)부(130)를 포함한다.
모방 근육부(110)는 전기적 자극에 반응할 수 있는 나노 섬유(nano fiber) 물질로서, 전극부(120)를 통해 수신되는 전기적 자극에 의해 물리적 수축 또는 팽창하여 근육의 기능을 대체 또는 보강하는 기능을 수행한다. 모방 근육부(110)는 나노 섬유 자체, 즉 단사 또는 합사 형태로 구성될 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 모방 근육부(110)를 생성하는 방법에 대해 간략히 설명한다.
본 발명에 따른 모방 근육부(110)를 생성하는 과정은 나노 섬유(nano fiber)를 생성하는 과정과, 생성된 나노 섬유를 전기 활성 하이드로겔(Electroactive Polymers : EAP)로 합성하는 과정으로 나눌 수 있다.
먼저, 나노 섬유(nano fiber)를 생성하는 방법으로는 전하방사(electrospinning) 방식이 적용된다. 전하방사(electrospinning) 방식이란 고분자 용액으로 채워진 모세관 팁을 가진 주입기 및 당해 주입기와 일정 거리 떨어진 나노 섬유를 모으는 금속판 사이에 전기장을 걸어줌으로써, 전기장에 의한 충분한 표면 전하를 이용하여 고분자 용액의 표면장력을 극복하고 분사시켜 섬유를 만들어 내는 방법이다. 전하방사(electrospinning) 방식이 아닌 종래의 방법을 이용할 경우 수십 ㎛직경의 초극세사 섬유제조가 특정한 고분자에서만 가능하고 또한매우 복잡한 제한된 공정을 거치게 되는 문제점이 있었다. 이에 반해 전하방사(electrospinning) 방식의 경우 용융체 및 고분자 용액 등의 다양한 고분자가 적용 가능하며 직경이 수 nm에서 수천 nm이며, 기존의 부직포 제조 방법들보다 간편하며, 기존 섬유 제품들보다 부피 대비 표면적 비가 높은 섬유를 만들어낼 수 있는 장점이 있다.
지름이 수십에서 수백 나노미터(1나노미터 = 10억분의 1m)에 불과한 초극세(超極細) 실인 나노 섬유를 생성하는 과정을 상세히 설명하면, DC 전원 생성기(DC voltage generator)와 고전압 조절기(high voltage regulator)에 의해 만들어진 고전압의 한쪽 끝이 모세관의 캐필러리 팁(capillary tip)에 인가되고, 보다 좋은 방향성을 유지하기 위한 콜렉터에 다른 한쪽이 인가되면 캐필러리 팁(capillary tip)과 콜렉터간에 강한 전기장을 생성된다. 캐필러리 팁(capillary tip)과 연결된 원료 저장소에는 고분자 용액이 채워져 있으며, 강한 전기장에 의해 고분자 용액의 표면장력이 파괴되어 분사된다. 이때, 인가된 전기장의 세기, 캐필러리 팁(capillary tip)과 콜렉터사이의 거리에 의하여 나노 섬유의 균일성과 방향성이 변할 수 있다. 이와 같이 생성된 나노 섬유(nano fiber)는 재료에 따라서 나노 섬유 자체를 이용할 수도 있고 합사 또는 번들(bundle)로 만들어 사용할 수도 인공 근육과 같은 형태로 사용할 수도 있다.
나노 섬유의 장점으로는 나노 섬유를 이용하여 옷을 만들면 박테리아 같은 외부 물질은 전혀 통과하지 못하고 내부의 땀을 배출하는 호흡성이 있어서 군사용으로 쓰일 수 있다. 또한, 나노 섬유는 인간의 피부와 촉감이 비슷하며, 선택적인투과가 가능한 엠브레인 구조를 가지기 때문에 인조 피부나 의료용 붕대 등의 의료용 소재로 사용될 수 있다. 또한, 나노 섬유는 부피 대비 표면적이 크기 때문에 필터링에도 이용될 수 있다.
다음으로, 생성된 나노 섬유를 전기 활성 하이드로겔(Electroactive Polymers : EAP)로 합성하는 과정, 즉 나노 섬유가 전기적 특성을 가지도록 하는 과정을 설명한다.
나노 섬유를 전기 활성 하이드로겔로 합성하는 방법은 예를 들어 앞서 설명한 바와 같이 전하방사(Electrospinning)로 나노 섬유를 제조한 후, 용액 내에서 가교제(cross linking agent)를 이용하여 세미(semi) 또는 풀(full)-IPN(Interpenetrating Polymer Network)을 만드는 방법이 적용될 수 있다.
IPN(Interpenetrating Polymer Network)은 분자규모에서 적어도 부분적으로 교차된 2개 이상의 그물조직구조를 가진 고분자를 말하며, 이는 공유결합이 아니며 화학 결합이 깨어지기 전까지는 분해되지 않는다.
그리고, 임의의 나노 섬유에 적합한 가교제를 첨가함으로 생성되는 기능성 고분자 하이드로겔(hydrogel)은 pH, 용매의 조성, 온도, 이온의 농도, 전기장과 같은 외부 자극에 의해 가역적인 부피변화를 일으키는 물질인 고분자 하이드로겔의 일종이다. 이와 같이 주위환경의 자극에 의해 화학 자유 에너지가 기계적인 일로 변화되는 것을 "chemomechanical" 시스템이라고 하며, 이러한 시스템 중에서 전기 자극에 의해 고분자 내의 화학 자유 에너지가 수축 팽창 등의 기계적인 일을 할 수 있는 고분자가 전기 활성 하이드로겔(Electroactive Polymers : EAP)이다.
전기 활성 하이드로겔(EAP)은 상술한 바와 같이 전기장에 의해 작동되는 것과 이온에 의해 작동하는 것으로 대별되며 전기장에 의한 것은 압전, 전왜, 강유전성의 재료로 나눌 수 있고 이온화에 의한 것은 전기장이 가해졌을 때 폴리머 내부에 이온의 편류가 발생하여 변형이 발생하는 것으로 폴리머 젤과 이온 박막이 있다. 이 외에도 탄소나노튜브, 종이, 천, 유체 등의 다양한 EAP가 현재 연구되고 있다. 이외에도 근육과 같은 특성을 갖는 단일 폴리머 체인의 molecular EAP, 탄소 나노튜브를 이용한 작동기, 종이에 전기장을 인가할 때 변형이 발생하는 Electroactive Paper, 변형을 감지하고 전기장에 의해 변형할 수 있는 지능천 등이 있다.
또한, 나노 섬유가 전기적 자극에 가장 잘 반응하도록 하기 위해 나노 섬유 자체의 blend, copolymer, IPN 또는 nano fiber composite를 이용하여 전기 활성 하이드로겔(EAP)을 만들 수 있다. 이때, 전기적 자극에 의한 반응은 fiber 사슬 말단 작용기의 전하, 내부의 포집된 liquid의 특성 또는 합성 방법 등에 의해 결정될 수 있다.
다시 도 1을 참조하여, 전극부(120)는 모방 근육부(110)의 일측에 부착되어 모방 근육부(110)에 전기적 자극을 공급하기 위한 것이다. 전극부(120)의 재료로는 나노 섬유(nano fiber) 또는 인체에 무해한 생체 적합성 전극이 사용될 수 있고, 생체 적합성 전극의 유형으로는 바늘형(niddle type), 판형(plate type) 또는 원형 전극(ball type) 등이 적용될 수 있고, 여러 유형의 조합되어 사용될 수도 있다. 또한, 전극부(120)는 단일 전극으로 구성될 수도 있고, 또는 복수개의 전극이 전기활성 하이드로겔에 부착 또는 고정되어 전기 자극을 줄 수 있도록 어레이 형태의 전극으로 구성될 수도 있다.
임플란트(implant)부(130)는 모방 근육부(110)의 팽창 또는 수축을 제어하기 위해 전극부(120)를 통해 전기 자극을 모방 근육부(110)에 제공하는 기능을 수행한다. 임플란트부(130)의 상세한 구성 및 기능에 대해서는 이후 도 2를 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 임플란트부의 구성을 나타낸 블록 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 임플란트부(130)는 수신부(210), 직류 전원부(220), 센싱 제어부(230)를 포함한다.
수신부(210)는 외부 전원 공급부(도시되지 않음)로부터 교류 전원을 수신하여, 직류 전원으로 변환한 후 변환된 직류 전원을 직류 전원부(220)로 전달하는 기능을 수행한다. 이 경우, 수신부(210)는 인체 외부에서 전자기 유도현상을 일으키는 장치인 외부 발신부(310 - 도 3 참조), 외부 발신부에 의한 전자기 유도 현상에 의하여 내부에서 전자기가 유도되는 부분인 내부 수신부를 포함할 수 있다. 물론 외부 발신부는 본 발명과 독립된 별도의 장치일 수 있다. 또한, 수신부(210)는 미세 인공 근육인 모방 근육부(110)의 수축 또는 이완을 제어하기 위해 외부 장치(도시되지 않음)로부터 제어신호를 수신하여 이를 센싱 제어부(230)로 전달하는 기능을 더 수행한다. 이때 외부 장치는 무선으로 제어신호를 전달할 수 있는 장치이면아무런 제한없이 적용될 수 있으며, 적외선 리모콘을 예로 들 수 있다. 다만, 도 4에 도시된 바와 같이 센싱부(410)가 이용되는 경우 센싱부(410)가 모방 근육부(110)의 상태를 감지하여 검출 신호를 제어 신호 발생부(420)로 전송할 수 있고, 제어 신호 발생부(420)가 센싱부(410)에 의해 감지된 검출 신호에 상응하는 제어 신호를 생성할 수 있으므로 외부 장치는 필요시되지 않을 수 있다.
직류 전원부(220)는 수신부(210)로부터 수신된 직류 전원을 충전하고, 임플란트부(130) 내부로 직류 전원을 공급하는 기능을 수행하며, 충전 회로(도시되지 않음)와 2차 전지(도시되지 않음)로 구성된다. 즉, 직류 전원부(220)의 충전 회로는 수신부(210)의 내부 수신부에 의해 유도된 교류 전원을 정류 및 필터링하여 2차 전지에 충전하게 된다. 또한, 직류 전원부(220)는 센싱 제어부(230)의 센싱 제어 신호(또는 전원 제어 신호)에 의해 모방 근육부(110)의 수축 또는 팽창을 위한 전원 제어 기능을 수행하는 전원 제어부(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 임플란트부(130)는 수신부(210)와 직류 전원부(220)를 통합하여 전원부라는 하나의 장치로 구성할 수도 있으며, 모방 근육부(110)를 작동시키기 위해 필요한 전기를 외부 전원으로부터 제공받는 방법에 대해서는 이후 도 3을 참조하여 상세히 설명한다.
센싱 제어부(230)는 모방 근육부(110)가 수축되어야 하는지 팽창되어야 하는지를 판단하여 제어 신호(예를 들어, 전원 제어 신호, 센싱 제어 신호 등)를 전극부(120)를 거쳐 모방 근육부(110)로 제공하거나 전원부(또는 직류 전원부(220))로 제공하는 기능을 수행한다. 또한, 앞서 설명한 수신부(210)의 외부 장치(도시되지않음)로부터의 제어신호 수신 기능은 센싱 제어부(230)에 의해 수행될 수도 있다. 센싱 제어부(230)의 구성 요소와 각 구성 요소의 기능은 이후 도 4를 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 미세 인공 근육 제어 장치로의 전원 공급 방법을 설명하기 위한 블록 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 미세 인공 근육 제어 장치는 외부 발신부(310)로부터 전원을 공급받는다. 즉, 외부 발신부(310)는 인체 피부의 외부에 위치하고, 외부 전원은 전자기 유도 현상에 의해 임플란트부(130)로 유입된다. 앞서 설명한 바와 같이 외부 발신부(310)는 수신부(210)의 구성 요소이거나 수신부(210)와 독립된 별개의 장치일 수 있다. 또한, 수신부(210)와 독립된 별개의 장치인 경우, 외부 발신부(310)는 전자기 유도 현상에 의해 임플란트부(130)로 외부 전원을 공급할 수 있는 장치이기만 하면 아무런 제한없이 동일하게 적용될 수 있다.
또한, 앞서 설명한 바와 같이, 모방 근육부(110)가 팽창 또는 수축과 같은 물리적 변화를 일으키기 위해서는 전기적 자극(또는 화학적 자극)을 필요로 한다. 이러한 전기적 자극을 외부에서 전선을 통해 내부로 공급할 경우 전선을 통한 감염 또는 전선의 생체 적합성 문제로 인해 체외에서 배터리를 통해 체내로 전기를 공급하는 것은 불편함과 위험성을 가진다. 따라서 외부에서 체내로 전자기 유도에 의해 전기를 공급하는 방법인 TET(transcutaneous energy transmission)를 사용한다. 이것은 발전기와 변압기에 쓰이는 전자기 유도 현상을 이용하여, 회로를 관통하는 자기력선을 변화시켜서 유도 기전력을 얻기 위해 회로 가까이에 영구자석 또는 전류가 흐르는 다른 회로를 움직이거나(발전기), 양쪽회로를 고정시킨 후 한쪽 회로에 흐르는 전류를 변화시켜 주어(변압기) 유도 기전력을 생성한다. 이러한 방법은 인공심장의 체내 배터리를 충전시키는 방법으로 사용될 수 있으며, 이미 상용화 되어있는 인공와우 장치(cochlear implant)의 전기 공급 장치로 이용될 수도 있다. 이러한 장치를 통해 미세 인공 근육 제어 장치의 구동력을 체외에서 체내로 부작용 없이 전달할 수 있다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 센싱 제어부의 상세 구성을 나타낸 블록 구성도이다.
도 4를 참조하면, 센싱 제어부(230)는 센싱부(410), 제어 신호 발생부(420), 제어 상태 표시부(430)를 포함한다. 또한, 도 4에는 도시되지 않았으나 센싱 제어부(230)는 외부 장치(도시되지 않음)로부터의 제어 신호 수신 기능을 수행하는 제어 신호 수신부를 더 포함할 수 있다.
센싱부(410)는 모방 근육부(110)가 수축되어야 하는지, 아니면 팽창되어야 하는지를 검출하고, 검출 신호를 제어 신호 발생부(420) 및/또는 직류 전원부(220)로 기능을 수행한다. 센싱부(410)의 신호 검출은 본 발명에 따른 미세 인공 근육 제어 장치를 착용한 사람의 명령 입력 또는 외부 장치로부터의 요청 수신시 이루어질 수 있다.
제어 신호 발생부(420)는 제어 신호 수신부에 의해 수신된 외부 제어 입력 신호 또는 센싱부(410)에 의한 검출 신호에 기초하여 제어 신호를 생성하는 기능을 수행한다. 제어 신호 발생부(420)에 의해 생성되는 제어 신호에는 직류 전원부(220)로 전달되어 전원 제어 기능을 수행할 수 있도록 하는 전원 제어 신호, 이미 계산된 반복 운동 주기와 시간 차이에 대한 제어 신호 등을 포함하여 직류 전기에 첨가되어 모방 근육부(110)로 전달되는 센싱 제어 신호 등이 포함될 수 있다. 물론, 모방 근육부(110)의 수축 및 팽창은 전원 제어 신호만을 이용하여 이루어질수도 있으며, 센싱 제어 신호는 모방 근육부(110)가 아닌 직류 전원부(220)로 전달되어 직류 전원부(220)에 의한 전원 제어 데이터로 활용될 수도 있다. 상술한 제어 신호가 포함된(또는 제어 신호에 의한) 전기 자극을 이용하면, 고분자 나노 섬유인 모방 근육부(110)를 실제 근육과 유사하게 제어할 수 있다. 다만, 제어 신호 발생부(420)는 센싱부(410)의 검출 신호를 이용하여 전원 제어 신호(및/또는 센싱 제어 신호)를 생성하는 경우, 검출 신호를 분석하고 분석 결과에 상응하는 전원 제어 신호(및/또는 센싱 제어 신호)를 생성하기 위한 구성을 더 포함할 수 있다. 그리고, 제어 신호 발생부(420)가 제어 신호를 생성함에 있어 제어 신호의 형태는 직류일 수도 있으나 직류보다는 구형파, 삼각파, 계단파 또는 이들 파형들을 조합한 파형 중 어느 하나인 것이 바람직하다. 이는 직류를 모방 근육부(110)에 인가하면 급격한 변화에 의해 모방 근육부에 무리를 줄 수 있기 때문이다. 따라서, 상술한 교류 파형들 중의 어느 하나 또는 이들의 조합 파형을 일정 비율로 점점 증가 또는 감소하도록 모방 근육부(110)에 인가하여 모방 근육부(110)에 무리를 주지 않으면서 모방 근육부(110)의 팽창 또는 수축 작용이 일어나도록 할 수 있다. 또한 상술한 제어 신호의 파형은 특정 파형이 n회 반복적으로 발생될 수도 있다.
제어 상태 표시부(430)는 센싱 제어부(230)의 동작 상태를 검출하여 정상 동작 여부에 관한 정보를 외부로 전송(또는 표시)하는 기능을 수행한다.
그리고, 상술한 제어 신호 수신부를 통해 외부 제어 입력 신호를 입력할 수 있는 장치로는 예를 들어 리모콘 등이 가능하다. 예를 들어, 사용자가 가까운 거리의 물체를 보는데 그 물체가 잘 보이지 않는 경우 리모콘의 "+" 버튼 또는 "-" 버튼을 누르면, 리모콘은 원하는 초점 거리를 유지하기 위해 모방 근육부(110)를 수축 또는 팽창시키기 위한 제어 입력 신호를 발생시키게 되는데 제어 신호 수신부는 이 제어 입력 신호를 수신하게 된다. 그리고, 리모콘으로부터 제어 입력 신호를 수신할 경우에는 제어 신호 수신부는 적외선 수신부 등을 포함할 수 있다. 물론, 본 발명의 외부 장치에는 적외선 리모콘에 제한되지 않으며, 무선으로 신호를 전달할 수 있는 각종 외부 장치이면 아무런 제한없이 적용될 수 있다. 또한, 외부 장치를 이용하는 경우 사용자의 원거리 및 근거리 시력을 측정하여 모양체근의 동작 범위를 추정하여 그에 상응하는 모방 근육부(110)의 수축 또는 팽창 정도를 산출하여 이에 해당하는 제어 입력 신호를 인가하는 것도 가능하다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 많은 변형이 본 발명의 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 가능함은 물론이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 전기적 자극을 이용한 미세 인공 근육 제어 방법 및 장치는 전기적 자극에 의해 활성되는 나노 섬유(Nano Fiber)를 이용하여 노화 등에 따른 근육의 기능 퇴화나 사고 등에 의한 기능 손실의 보상을 가능하게 한다.
또한, 본 발명은 전기적 자극에 의해 활성되는 나노 섬유를 이용하여 수축 및 이완 등의 근육과 유사한 작용을 할 수 있도록 하여 기능 상실 또는 손상된 근육을 대체할 수 있도록 한다.
또한, 본 발명은 근육의 수축, 이완 정도를 정확하게 계산하여 환자 개개인이 모방 근육(즉, 나노 섬유)을 삽입한 이후에도 활동상의 불편함이나 시각적인 불쾌감을 유발하지 않도록 한다.

Claims (15)

  1. 미세 인공 근육 제어 장치에 있어서,
    비정상 근육을 대체하도록 장착되고, 미리 지정된 전기적 자극에 의해 수축 또는 팽창 작용을 하는 모방 근육부-여기서, 상기 비정상 근육은 노화된 근육, 기능 상실된 근육 중 어느 하나임-;
    상기 모방 근육부의 일측에 부착되어 상기 모방 근육부에 전기적 자극을 전달하는 전극부;
    상기 전극부의 일측에 부착되고, 상기 모방 근육부의 수축 또는 팽창 작용을 제어하기 위해 상기 전극부에 전기적 자극을 제공하는 임플란트부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기적 자극을 이용한 미세 인공 근육 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 임플란트부는,
    외부 전원 공급부로부터 수신되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 충전하는 전원부;
    상기 모방 근육부의 수축 또는 팽창 작용을 제어하기 위한 제어 신호를 생성하여 상기 전원부 또는 상기 전극부로 제공하는 센싱 제어부-여기서, 상기 제어 신호는 전원 제어 신호, 센싱 제어 신호 중 적어도 어느 하나를 포함함-
    를 포함하되,
    상기 전원부는 상기 센싱 제어부로부터 상기 전원 제어 신호가 수신된 경우, 상기 전원 제어 신호에 상응하는 전기적 자극을 생성하여 상기 전극부에 전달하는 것
    을 특징으로 하는 전기적 자극을 이용한 미세 인공 근육 제어 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 센싱 제어부는,
    상기 모방 근육부가 수축 또는 팽창 작용이 필요한지 여부를 검출하여 검출 신호를 생성하는 센싱부;
    상기 검출 신호를 이용하여 상기 제어 신호를 생성하는 제어 신호 발생부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기적 자극을 이용한 미세 인공 근육 제어 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 센싱 제어부는,
    상기 센싱 제어부의 동작 상태를 검사하여 정상 동작 여부를 통지하는 제어상태 표시부
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기적 자극을 이용한 미세 인공 근육 제어 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제어 신호는 구형파, 삼각파, 정현파, 계단파 또는 상기 파들의 조합한 파형 중 적어도 어느 하나인 것
    을 특징으로 하는 전기적 자극을 이용한 미세 인공 근육 제어 장치.
  6. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    외부장치로부터 제어 입력 신호를 수신하는 제어 신호 수신부;
    상기 제어 신호 수신부로부터 수신된 제어 입력 신호에 상응하는 전원 제어 신호를 생성하는 외부 제어 신호 발생부
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기적 자극을 이용한 미세 인공 근육 제어 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 외부장치는 리모콘인 것
    을 특징으로 하는 전기적 자극을 이용한 미세 인공 근육 제어 장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 센싱 제어 신호는 미리 계산된 반복 운동 주기와 시간 차이에 따른 상기 모방 근육부의 제어를 위한 정보이고, 상기 전원부에 의해 제공되는 직류 전기에 첨가되어 상기 모방 근육부로 전달되는 것
    을 특징으로 하는 전기적 자극을 이용한 미세 인공 근육 제어 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 모방 근육부는 전하방사(electrospinning) 방식에 의해 생성된 나노 섬유(nano fiber) 물질이고,
    상기 모방 근육부는 상기 나노 섬유 물질이 단사 또는 합사 형태로 이루어진 것
    을 특징으로 하는 전기적 자극을 이용한 미세 인공 근육 제어 장치.
  10. 제1항 또는 제9항에 있어서,
    상기 모방 근육부는 전기적 자극에 수축 이완등의 반응을 하는 고분자(Polymer)인 것
    을 특징으로 하는 전기적 자극을 이용한 미세 인공 근육 제어 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 전극부는 나노 섬유(nano fiber) 또는 인체에 무해한 생체 적합성 전극이고,
    상기 생체 적합성 전극은 바늘형, 판형, 원형 전극 또는 이들의 조합 중 어느 하나인 것
    을 특징으로 하는 전기적 자극을 이용한 미세 인공 근육 제어 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 전극부는 단일 전극 또는 어레이 형태의 전극인 것
    을 특징으로 하는 전기적 자극을 이용한 미세 인공 근육 제어 장치.
  13. 제2항에 있어서,
    상기 전원부는 전기장 또는 자기장 중 적어도 어느 하나에 의해 상기 외부전원 공급부로부터 교류 전원을 공급받는 것
    을 특징으로 하는 전기적 자극을 이용한 미세 인공 근육 제어 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 모방 근육부, 상기 전극부 및 상기 임플란트부는 인체의 피부 내부에 장착되는 것
    을 특징으로 하는 전기적 자극을 이용한 미세 인공 근육 제어 장치.
  15. 미세 인공 근육 제어 장치에 있어서,
    비정상 근육을 대체하도록 장착되고, 미리 지정된 전기적 자극에 의해 수축 또는 팽창 작용을 하는 모방 근육부-여기서, 상기 비정상 근육은 노화된 근육, 기능 상실된 근육 중 어느 하나임-;
    상기 모방 근육부의 일측에 부착되어 상기 모방 근육부에 전기적 자극을 전달하는 전극부;
    외부 전원 공급부로부터 수신되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 충전하는 전원부;
    상기 모방 근육부의 수축 또는 팽창 작용을 제어하기 위한 제어 신호를 생성하여 상기 전원부로 제공하는 센싱 제어부-여기서, 상기 제어 신호는 적어도 전원제어 신호를 포함함-
    를 포함하되,
    상기 전원부는 상기 센싱 제어부로부터 상기 전원 제어 신호가 수신된 경우, 상기 전원 제어 신호에 상응하는 전기적 자극을 생성하여 상기 전극부에 전달하고,
    상기 모방 근육부, 상기 전극부, 상기 전원부 및 상기 센싱 제어부는 인체의 피부 내부에 장착되는 것
    을 특징으로 하는 전기적 자극을 이용한 미세 인공 근육 제어 장치.
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