성대 마비자도 말할 수 있는 패치 개발했다

미국 캘리포니아대학 LA 연구팀이 인후암 수술이나 성대 폴립 등 영향으로 성대를 사용할 수 없게 되어 버린 사람이라도 말할 수 있게 되는 목에 붙이는 패치를 개발했다. 이 패치는 작고 신축성이 있으며 발화에 따른 근육 움직임만으로 발전하기 때문에 배터리나 플러그도 불필요하다고 한다.

음성은 인간이 의사소통하는 주요 방법 중 하나지만 다양한 병리학적 이유로 발성장애가 발생할 가능성은 누구에게나 인구 29.9%가 평생 적어도 한번은 발성장애를 경험할 가능성이 있다. 또 현재진행형으로 발성장애를 경험하는 사람은 7%에 달하고 이 영향으로 일을 쉬거나 그만두지 않을 수 없는 경우도 있다.

연구팀은 몇 시간에 걸쳐 강의하고 목소리를 내는 게 힘들어졌을 때 성대를 사용하지 않아도 말할 수 있도록 하는 방법에 대한 아이디어를 떠올렸다. 19세기 이후 과학자는 일부 딱딱한 금속이 기계적 스트레스에 노출되면 자기 특성이 변화한다는 걸 알고 있었다. 연구팀은 2021년 논문에서 얇은 실리콘에 마이크로 자석을 넣은 부드러운 소재에서도 변형시켜 자기 특성이 변화하는 걸 보고하고 있었다.

연구팀은 이번에는 이 실리콘에 마이크로 자석을 넣은 소재를 이용해 발화에 수반하는 근육 움직임으로부터 음성으로 변환 가능한 전기 신호를 생성하는 목에 붙이는 패치를 만들었다. 패치는 5층 구조로 되어 있으며 중심에 있는 실리콘과 마이크로 자석층이 근육 움직임에 따라 자기장을 생성하고 이를 끼우는 구리선 코일 2개층이 자기 변화를 전기 신호로 변환한다. 이런 3층을 유연한 실리콘 소재로 감싸는 것으로 인후에 붙일 정도 신축성을 갖춘 작은 패치가 된다는 것.

연구팀은 발화에 문제가 없는 피험자 8명을 대상으로 패치를 목에 붙인 상태로 발화하게 하고 목 움직임을 음성으로 변환하는 기계학습 알고리즘을 훈련시켰다. 피험자는 짧은 문구나 문장을 100회 걷거나 멈추면서 반복했다고 한다. 훈련된 기계학습 알고리즘은 목 움직임에 의해 생성된 전기 신호를 95% 정확도로 올바은 음성을 변환할 수 있었다. 이는 피험자가 실제로 목소리를 내거나 목소리를 내지 않고 목을 움직이는 경우에도 확인됐다고 보고됐다.

이번 연구 결과는 유망하지만 패치는 아직 개발 초기 단계이며 음성은 사전에 녹음해둘 필요가 있었고 피험자도 발성 장애를 갖지 않은 사람으로 한정되어 있었다. 하지만 연구팀은 앞으로 알고리즘을 개선해 패치 문장 번역 능력을 높여 음성 사전 녹음없이 근육 움직임을 음성으로 변환할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.