‘두 번째 피부’같은 새로운 척추 보호대로 익스트림 스포츠를 더 안전하게 즐긴다

미국 드라마 ‘프라이데이 나잇 라이츠(Friday Night Lights)’의 첫 번째 에피소드에서는 한 고등학교 미식축구 쿼터백 선수가 축구장에서 사고로 척수손상(SCI, spinal-cord injury)을 입어 하반신이 마비된다. 그와 그 주변인들이 이 충격적인 사건으로 힘들어하고 있을 때 테일러 코치가 현자같이 나타나 이런 말을 한다. “인생은 너무도 덧없다. 우리는 모두 연약하고, 삶의 어느 시점에서는 무너진다. 어느 누구나 무너질 것이다.”

2016년 척수의학저널(Journal of Spinal Cord Medicine)에 실린 기사를 보면, 러시아, 피지, 뉴질랜드, 아이슬란드, 프랑스, 캐나다 등에서 스포츠 관련 척수손상이 가장 많이 발생했고, 다이빙, 스키, 럭비, 승마 등을 고위험 스포츠로 꼽았다. 전 세계적으로 자전거와 오토바이 탑승 시 헬멧 착용 의무화가 법적으로 적용되지만, 스포츠 활동에 있어 척추 보호대 사용에 대한 표준이나 권장사항은 거의 없다.

대부분의 척추 보호대는 오토바이 운전자를 위해 만든 것이며 움직임을 제한하거나 충격을 흡수하는 벨트 또는 방호복의 변형된 형태다. 그러나 오스트리아 그라츠(Graz)에서 시작된 새로운 프로젝트인 회전척추보호(RSP, Rotational Spine Protection) 시스템은 몸에 잘 맞고 일정 범위 내에서 움직임을 ‘고정시키는’ 스트랩 및 버클이 있는 ‘두 번째 피부(second skin)’같은 역할을 하여, 착용자의 안전을 유지한다. 척추 회전이 임계치에 도달하면 스트랩이 조이면서 과도한 회전 에너지는 포착하여 흡수한다.

RSP 시스템을 제작한 디자인 스튜디오 에데라 세이프티(Edera Safety)의 공동 창립자이자 CEO인 토마스 자이어(Thomas Saier)는 부상이 발생하는 과정과 위치 및 유형을 결정하는 척추부상 관련 의료 조사 연구를 실시했다. 사내 브랜드인 아담스포(adamsfour)라는 팀은 직접적인 척추 충격보다 다섯 배 정도 흔하게 발생하는 회전 손상에 집중했다.

자이어는 “회전 손상은 생체 역학적 부상이다”라고 하면서, “자연스러운 움직임의 범위가 지나치게 강조되었다. 척추 중앙에 있는 척수에 대한 회전력이 찢어지거나 부러질 때 부상이 발생한다”라고 말했다.

바디 전기장치

첫 번째 단계는 신체가 극단적으로 또는 갑자기 움직일 때 잠재적 손상을 입힐 수 있는 힘이 척추 어디에 가해지는지 그 위치를 파악하는 것이었다. 팀은 적절하게 회전하는 센서와 척추가 있는 자체 충돌 테스트 인체 모형을 개발하여 모든 방향으로 회전력을 적용하고 그 결과로 얻은 데이터를 수집해야 했다.

팀은 대부분의 회전과 부상이 발생하는 흉추와 요추, 경추 부위를 연결하는 척추뼈에 집중했다. 또한 그라츠 대학 해부학과와 함께 해부용 시체에서 인간의 척추를 참조하여 회전을 적용하고 3D 스캔을 사용하여 척추의 생체 역학적 범위에 대한 더 많은 데이터를 수집했다.

중요한 사실이 발견되었는데 바로 두 가지 종류의 움직임에 따른 척추의 자연적인 한계였다. 하나는 신체 근육계에 의한 움직임이고, 다른 하나는 뼈(척추 포함) 사이 연결이 부담을 떠맡기 시작할 때 움직임이다. 인체는 능동적인 근력 사용만으로는 운동 범위의 약 60%까지만 도달할 수 있으며, 나머지는 척추 회전과 같이 뼈의 움직임을 통해 수동적으로 이루어진다.

따라서 그 핵심은 근육에 지시해서 만들어진 능동적인 움직임을 제한하는 것이 아니라 수동적인 뼈의 움직임이 지나칠 때 제동을 거는 것에 있다. 척추가 임계치에 도달하면 RSP 시스템이 발생한 힘을 흡수한다.

새로운 세대

두 번째 단계는 척추 움직임에 대한 모든 데이터를 실행하여 시뮬레이션된 힘과 에너지를 제한하면서도 갑옷처럼 답답하게 느껴지지 않는 시스템을 설계하는 것이었다.

이들은 제너레이티브 디자인을 도입했다. 자이어는 2016년 오토데스크의 제너레이티브 디자인 기술로 만든 섀시(차대)를 장착한 고성능 경주용 자동차 ‘핵 로드(Hack Rod)’에 대해 알고 있었고, 이를 RSP에 적용할지 검토했다. 자이어는 “테스트 패드로만 작업하면 한 가지 종류의 움직임만 시뮬레이션 할 수 있다”라고 하며, “스포츠는 다양한 움직임으로 구성되어 매우 복잡하다. 영향이 미치기 전까지는 시스템에서 실제로 얼마나 많은 힘, 회전 또는 중단이 발생하는지 알 수 없다”라고 밝혔다.

아담스포는 오토데스크 Fusion 360(퓨전 360)을 사용하여 실시간 데이터로 시뮬레이션을 채워 프로토타입을 개발했다. 팀은 이를 활용하여 더 많은 센서와 앱을 통합하여 관련된 모든 힘을 정확히 측정하고 기록한 다음 제너레이티브 디자인 알고리즘에 입력했다.

아담스포 팀 내 스포츠맨이자 디자이너인 르네 스티글러(René Stiegler)에게 다음 할 일은 제너레이티브 디자인 프로세스를 통해 얻은 구조를 활용해 최상의 해결책을 찾는 것이었다. 스티글러는 “우리가 얻은 결과는 제품으로 판매하기에는 다소 극단적이었다”라고 말하며, “유용성 문제에 있어 사람들이 실제로 입고 싶어할 만한 것으로 변형해야 한다”라고 강조했다.

RSP 시스템은 B2B(business-to-business) 기술이다. 아담스포는 다른 제조업체들이 그들의 제품에 통합할 수 있도록 세트로 구성하여 판매할 것이다. 아직 사전 제작 단계에 있지만 이미 3개의 대형 스포츠 웨어 브랜드와 계약을 마무리 짓고 있다.

자이어는 “설계 조건에 따라 많은 구조적 제안을 얻을 수 있다”라고 말했다. 그는 또 “제너레이티브 디자인을 통해 핵심 이미지를 만들어 냈고, 지금 사용하는 최종 제품은 그 구조에 따라 만들어졌다. 거기에 직관적인 노하우와 설계 팀의 개발 기술을 결합하여 상품으로 전환해야 한다”라고 전했다.

이 프로세스의 한 가지 장점은 힘과 에너지 선이 신체에 적용되는 위치에 대한 시스템의 계산을 기반으로 필요한 재료의 양을 줄인다는 것이다. 스티글러는 “이 프로세스가 없었다면 더 많은 재료가 사용되거나 더 무거웠을 것이다”라고 말했다. 또 그는 “이 프로세스는 기본적으로 우리가 운반해야 하는 하중의 양이나 재료 두께에 대한 답을 준다. 최종 제품에서 어떻게 적용할지는 각자의 몫이다. 사실상 전체 시스템을 구축하는 골격을 기반으로 하고 있기 때문이다”라고 덧붙였다.

다음 단계는 더 많은 수의 시범 운전자들에게 더 많은 센서를 장착해서 더욱 세밀한 세부정보를 생성한 후 현재 설계를 재생성하여 체계적인 분류를 개선하는 것이다.

현실 세계

시뮬레이션, 데이터 수집 및 처리가 끝나면 사용자 경험이 쌓일까? 장치 착용이 쉽고 편안하며 효과적일까?

적절한 재료가 관건이었다. 본질적인 강도를 유지하면서도 절단 가능하고 모양을 만들 수 있어야 하며 피부 또는 의복 표면과의 적절한 마찰이 필요했다. 얇은 천이나 땀에 젖은 몸 위에서 장치가 미끄러지면 충분히 제어할 수가 없다. 그 해결책은 구명정에 사용된 재료와 비슷한 “클로로술폰화 폴리에틸렌(chlorosulfonated polyethylene) 합성고무”라는 물질이었다.

아담스포의 산악 자전거 비탈길 시범 운전자 도미닉 도펠호퍼(Dominik Doppelhofer)는 “착용하기 편하다”라고 전했다. 그는 이어 “다른 보호대와 비교했을 때 입는 방식이 조금 다르다. 피부처럼 몸에 닿아야 하기 때문에 제대로 조절해야 하는데, 매우 수월하게 작동된다”라고 전했다.

올해 말 즈음에 스포츠 애호가들이 스포츠를 즐긴 후에도 과도한 비틀림으로부터 척추가 잘 보호되었다고 느낀다면, 오스트리아에 있는 소규모의 해부학적 연구, 제너레이티브 디자인 회사에 감사하게 될지도 모르겠다.