피부처럼 섬세한 센서 개발
피부처럼 섬세한 센서 개발
  • 강지희
  • 승인 2019.07.31 22:00
  • 조회수 1450
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소통 가능한 인공 피부가 필요해! 출처: pixabay
소통 가능한 인공 피부가 필요해! 출처: pixabay

인공 피부 기반의 전자기기는 휴머노이드 로봇 또는 인체와 유사한 메디컬 장치의 구현에 반드시 필요합니다. 특히 생체의 기계적 감각수용체를 모사해 압력과 진동에 대해 뛰어난 민감도를 가지는 촉각 센서가 요구됩니다. 뿐만 아니라 센서에 의해 발생된 전기신호는 실제 사람의 뇌가 인지할 수 있는 뉴런세포의 그것과 유사한 형태가 돼야 하죠. 

 

기존에 발표된 기계적 센서 연구들은 주로 기계적 압력을 측정하는 정도였습니다. 그런데 DGIST 에너지융합연구부 최창순 선임연구원팀이 성균관대 천성우 박사와 공동 연구팀으로 인간피부가 느끼는 압력과 진동을 유사하게 느낄 수 있는 인공피부 촉각센서를 개발했습니다. <Nano Letters>에 게재된 논문에 따르면 연구팀이 개발한 촉각센서는 단순 압력과 온도 감지 기능을 갖춘 기존 센서와 달리 압력과 진동 모두를 감지하거나, 물체 표면 거칠기를 전기신호로 변환시켜 구분하는 등, 물리적인 자극을 더 민감하게 감지할 수 있다고 합니다.

 

촉각센서의 특징

인간 피부 내 감각 수용체(a)와 인공피부(b) 각각에서 발생하는 전기 신호 분석(c).
인간 피부 내 감각 수용체(a)와 인공피부(b) 각각에서 발생하는 전기 신호 분석(c). 출처: DGIST

연구팀은 생체의 다양한 종류의 감각 수용체들을 모방해 압력과 진동을 동시에 측정하고 이를 통해 거칠기를 센싱할 수 있는 자가 구동형 뉴런 기반의 촉각센서를 제안했습니다. 연구팀은 특히 저속 응답 수용체를 모방하기 위해 압력과 그 분포를 측정하기 위한 고집적 그래핀 격자 센서와 고속 응답 수용체를 모방하기 위해 진동을 측정할 수 있는 마찰 전기 기반의 센서를 구현했는데요. 이러한 두 개의 센서에서 도출된 전기 신호는 실제 사람 피부의 신경세포에서 발생된 전기신호와 매우 유사한 형태인 것으로 확인됐습니다. 

 

연구팀이 개발한 촉각 센서는 인간의 여러 감각 수용체 중 압력을 감지하는 '저속 응답(SA, Slow Adaptive) 수용체'와 진동과 거칠기를 감지하는 ‘고속 응답(FA, Fast Adaptive) 수용체'를 모두 모사(模寫)했습니다. 촉각센서는 특히 마찰전기 발생 원리를 응용해 촉각으로 전해지는 거칠기를 전기에너지 신호로 변환하는 방식을 자체적으로 개발 및 활용했다고 합니다.

 

연구팀이 개발한 촉각센서는 사람 손가락 지문을 모사한 마이크로 패턴이 있는 상단 패널, 고속 응답 수용체를 모방한 진동 센서가 있는 중간 패널, 저속 응답 수용체를 모방한 압력 센서를 구현한 하단 패널로 구성된 유연한 필름 형태입니다. 최창순 선임연구팀은 고속 응답 수용체 모사를 위해 물체끼리 접촉해 발생하는 ‘마찰전기’ 신호의 진동을 측정해 거칠기를 구분하는 원리를 활용했는데요. 여기에 개발된 센서와 더불어 지문을 모사한 상단패널을 함께 활용해 연구팀은 열 두 종류의 직물 거칠기를 99% 이상의 정확도로 구분하는데 성공했다고 합니다.

  

앞으로의 전망

 

현재 상용화된 증강현실은 시각적 정보에만 의존합니다. 연구팀이 개발한 촉각센서를 이용한다면 착용 가능한 수트 형태로, 촉감이나 질감을 이용한 증강현실 구현이 가능할 것으로 보입니다. 또한 향후 연구가 많이 진행된다면 언젠가는 사람의 피부를 대체할 수 있는 인공피부의 구현이 가능할 것으로 기대됩니다.

DGIST 에너융합연구부 최창순 선임연구원(좌), 성균관대학교 천성우 박사(우)
DGIST 에너융합연구부 최창순 선임연구원(좌), 성균관대학교 천성우 박사(우). 출처: DGIST

DGIST 에너지융합연구부 최창순 선임연구원은 "스티븐 스필버그 감독의 영화를 좋아하는데 <레디 플레이어 원>라는 영화에서 주인공이 수트를 입고 가상현실을 경험하는 장면이 인상 깊었다. 미래에는 시각 뿐 만 아니라 촉각을 통한 증강현실이 구현될 것이기 때문에 본 연구가 의미가 있다고 생각하여 시작하게 됐다"며 이 연구의 계기를 밝혔습니다.

 

최창순 선임연구원은 또한 "당장 실용화하기 위해서는 값비싼 재료의 문제와 복잡한 제작 공정이 극복해야할 과제"라며 "향후 인공피부 관련 연구를 포함해서 관련된 많은 연구에 초석이 됐으면 한다"고 말했습니다.

 

##참고자료##

 


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