인간 피부의 능력을 뛰어넘는 로봇용 전자 피부
인간 피부의 능력을 뛰어넘는 로봇용 전자 피부
  • 이웃집편집장
  • 승인 2022.10.27 23:57
  • 조회수 1340
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본문 내용과 관련 없음. 출처 : Adobe Stock
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인간 피부의 촉각 인지 능력을 모방하는 전자피부는 사람이 작업하기 극한 환경에서 원격으로 감도 및 외압 측정이 가능하여 메타버스, 로봇 공학, 의료 기기 등 다양한 산업에 활용이 가능합니다. 이로 인해 전자피부가 많은 주목을 받고 있는데요. 특히 전자피부의 핵심 기술인 압력 센서의 민감도를 향상시키기 위해 센서 내부 재료와 구조를 변형하는 등 다양한 연구가 진행되고 있습니다.

 

하지만, 개발된 고감도 압력 센서는 큰 압력을 견지지 못해 압력 감지범위가 좁다는 한계가 있습니다. 이를 해결하기 위해 큰 압력을 견딜 수 있는 견고한 재료를 사용한 광범위 압력 감지 센서가 등장하였으나 견고한 재료가 미세한 압력의 변화를 감지하지 못하여 고감도 센서들에 비해 현저히 낮은 민감도를 보였는데요. 이에 따라 사용자들은 상황과 목적에 맞춰 별개의 센서를 교체하며 사용해야 했으며 이 과정에서 측정의 정확도가 떨어지고 번거롭다는 문제가 발생했습니다.

 

최근 KAIST 전기및전자공학부 정재웅 교수 연구팀이 인간 피부의 압력 감지 능력을 뛰어넘는 고감도 및 광범위 압력 측정이 가능한 로봇용 전자 피부를 개발했다고 밝혔습니다. 

 

연구팀이 개발한 전자 피부는 인간 피부에 비해 더 높은 민감도와 더 넓은 압력 측정 범위를 보여 최근 각광받는 로봇 산업, 헬스케어 산업, 증강 현실 등 다양한 분야에 폭넓게 적용될 수 있을 것으로 기대되는데요. 

 

연구팀은 갈륨(Gallium)과 중합체(Polymer)를 합성해 온도에 따라 민감도와 압력 감지 범위를 변화시킬 수 있는 가변 강성 압력 센서를 개발했습니다. 개발된 압력 센서는 사용자가 상황과 목적에 맞게 고감도 감지 모드와 광범위 압력 감지 모드를 손쉽게 전환할 수 있도록 설계했습니다.

전자피부의 전환 가능한 두 가지 모드 – 고감도 감지 모드와 광범위 압력 감지 모드 – 와 그 활용에 대한 개념도 (좌). 가변 강성 압력 센서 2-D 어레이를 활용하여 제작한 전자피부 사진 (상)과 가변 강성 압력 센서 개념도 (하). 출처 : KAIST
전자피부의 전환 가능한 두 가지 모드 – 고감도 감지 모드와 광범위 압력 감지 모드 – 와 그 활용에 대한 개념도 (좌). 가변 강성 압력 센서 2-D 어레이를 활용하여 제작한 전자피부 사진 (상)과 가변 강성 압력 센서 개념도 (하). 출처 : KAIST

압력 센서의 핵심 소재는 액체금속 중 하나인 갈륨으로, 금속임에도 불구하고 미온(29.76 ℃)에서 녹는점을 가져 쉽게 고체와 액체 간의 상태 변화가 가능합니다. 연구팀은 내장된 갈륨의 상태에 따라 센서의 강성률이 변화하는 점에 기반해 온도에 따라 민감도와 감지 범위 변화가 가능한 압력 센서를 제작했습니다. 미세 유체기반 제작 방식을 통해 균일한 갈륨 미립자를 형성/활용해 압력 센서를 제작했고 이를 통해 센서 간 균일성 및 재현성을 극대화해 신뢰성 높은 대면적 전자 피부 제작이 가능했습니다. 

가변 강성 압력 센서의 외압의 유무와 모드에 따라 변화하는 모습의 개념도와 실제 사진. 외압이 없는 경우 (상)와 외압이 있는 경우. (하) 외압이 있는 경우 내장된 갈륨이 고체 상태인 리지드 모드 (좌)와 갈륨이 액체 상태인 소프트 모드 (우). 출처 : KAIST
가변 강성 압력 센서의 외압의 유무와 모드에 따라 변화하는 모습의 개념도와 실제 사진. 외압이 없는 경우 (상)와 외압이 있는 경우. (하) 외압이 있는 경우 내장된 갈륨이 고체 상태인 리지드 모드 (좌)와 갈륨이 액체 상태인 소프트 모드 (우). 출처 : KAIST

제작된 전자 피부는 인간 피부와 비교 시 97% 높은 민감도와 262.5% 넓은 압력 측정 범위를 보였습니다. 연구팀은 전자 피부의 가변성을 활용해 맥박 측정과 같이 높은 압력 민감도가 필요한 상황과 몸무게 측정과 같이 넓은 감지 범위가 필요한 상황 모두에 개발된 로봇 피부가 활용될 수 있음을 입증했습니다.

가변 강성 압력 센서 2-D 어레이를 활용하여 제작한 전자피부 개념도 (좌), 전자피부의 광범위 압력 모드와 고감도 감지 모드에서 서로 다른 압력 감지 능력을 보여주는 사진과 표 (우). 광범위 압력 감지 모드의 전자피부를 통한 아기 무게 측정 (상). 고감도 감지 모드의 전자피부를 통한 맥박 측정 (하). 출처 : KAIST
가변 강성 압력 센서 2-D 어레이를 활용하여 제작한 전자피부 개념도 (좌), 전자피부의 광범위 압력 모드와 고감도 감지 모드에서 서로 다른 압력 감지 능력을 보여주는 사진과 표 (우). 광범위 압력 감지 모드의 전자피부를 통한 아기 무게 측정 (상). 고감도 감지 모드의 전자피부를 통한 맥박 측정 (하). 출처 : KAIST

 

정재웅 교수는 "액체금속의 상변화를 활용한 이번 기술은 전자 피부를 넘어 상황과 목적에 맞게 전기/기계적 특성을 변환시킬 수 있는 다양한 다목적 전자기기, 센서, 로봇 기술의 개발에도 활용될 수 있을 것이다 ˮ라고 말했습니다.

이번 연구는 국제 학술지 `어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)' 온라인 버전에 10월 3일 字 출판됐습니다.

논문명 : Beyond the Human Touch Perception: Adaptive Robotic Skin Based on Gallium Microgranules for Pressure Sensory Augmentation


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