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Research

피부처럼 섬세한 촉감을 전달하는 센서 개발

  • 조회. 409
  • 등록일. 2019.07.25
  • 작성자. 홍보팀

피부처럼 섬세한 촉감을 전달하는 센서 개발
- DGIST 최창순 선임연구원팀·성균관대 천성우 박사 인간의 피부를 모사한 신개념 촉각 센서 개발
- 기존보다 더 섬세한 촉각 인지 가능...인공피부 개발에 큰 도움을 줄 것으로 기대돼


 

 

 인간피부가 느끼는 압력과 진동을 유사하게 느낄 수 있는 인공피부 촉각센서를 DGIST 에너지융합연구부 최창순 선임연구원팀이 성균관대 천성우 박사와 함께 개발했다. 기존 센서보다도 더 민감한 감지가 가능해 관련 연구 수준을 한 단계 더 끌어올렸다는 평을 받고 있다.

 DGIST(총장 국양)는 에너지융합연구부 최창순 선임연구원팀이 압력과 진동을 동시에 감지해 물체의 질감을 효과적으로 측정하는 신개념 인공피부 기반 촉각센서를 개발했다고 밝혔다. 단순 압력과 온도 감지 기능을 갖춘 기존 센서와 달리 압력과 진동 모두를 감지하거나, 물체 표면 거칠기를 전기신호로 변환시켜 구분하는 등, 물리적인 자극을 더 민감하게 감지한다.

 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)했다. 특히 마찰전기 발생 원리를 응용해 촉각으로 전해지는 거칠기를 전기에너지 신호로 변환하는 방식을 자체적으로 개발·활용했다.

 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 형태이다. 

 특히 최창순 선임연구팀은 고속 응답 수용체 모사를 위해 물체끼리 접촉해 발생하는 ‘마찰전기’ 신호의 진동을 측정해 거칠기를 구분하는 원리를 활용했다. 여기에 개발된 센서와 더불어 지문을 모사한 상단패널을 함께 활용해, 연구팀은 열 두 종류의 직물 거칠기를 99% 이상의 정확도로 구분하는데 성공했다.

 최창순 선임연구팀이 개발한 센서는, 사고로 피부이식이 필요한 환자들에게 원래 피부처럼 감각을 느낄 수 있는 인공피부 이식이 가능성을 열어 향후 관련 분야에 큰 영향을 줄 것으로 보인다. 심지어 영화처럼 촉각 센서가 탑재된 수트를 입고 가상현실(AR) 체험을 하는 도중 느끼는 감각을 실제 피부를 통해 느끼는 것까지 가능할 것으로 기대된다.

 DGIST 에너지융합연구부 최창순 선임연구원은 “영화를 보던 도중, 주인공이 수트를 입고 가상현실을 체험하며 실제처럼 고통을 느끼는 것에서 센서 개발의 영감을 얻었다”며 “향후 인공피부 관련 연구를 포함해서 관련된 많은 연구에 초석이 됐으면 한다”고 밝혔다.

 한편, 이번 연구는 나노과학 분야의 권위 있는 저널인 나노레터스(Nano Letters) 온라인판에 지난 4월 26일 게재됐다. 연구 진행은 성균관대학교 천성우 박사(1저자), 방창현 교수와 DGIST 손원경 연구원, 임상규 책임연구원, 최창순 선임연구원(교신저자) 등이 주도했다

 

  연구결과개요  

Self-Powered Pressure-and Vibration-Sensitive Tactile Sensors for Learning Technique-Based Neural Finger Skin
Sungwoo Chun, Wonkyeong Son, Haeyeon Kim, Sang Kyoo Lim, Changhyun Pang, and Changsoon Choi*
(Nano Letters, published on April 26th, 2019)
 인공 피부 기반의 전자기기는 휴머노이드 로봇 또는 인체와 유사한 메디컬 장치의 구현에 반드시 필요하며 특히 생체의 기계적 감각수용체를 모사하여 압력과 진동에 대해 뛰어난 민감도를 가지는 촉각 센서가 요구된다. 뿐만 아니라, 센서에 의해 발생된 전기신호는 실제 사람의 뇌가 인지할 수 있는 뉴런세포의 그것과 유사한 형태가 되어야 한다. 
 본 연구에서는 생체의 다양한 종류의 감각 수용체들을 모방하여 압력과 진동을 동시에 측정하고 이를 통해 거칠기를 센싱할 수 있는 자가 구동형 뉴런 기반의 촉각센서를 제안하였다. 특히, 저속 응답 수용체를 모방하기 위해 압력과 그 분포를 측정하기 위한 고집적 그래핀 격자 센서를 구현하였고, 고속 응답 수용체를 모방하기 위해서 진동을 측정할 수 있는 마찰 전기 기반의 센서를 구현하였다. 이러한 두 개의 센서에서 도출된 전기 신호는 실제 사람 피부의 신경세포에서 발생된 전기신호와 매우 유사한 형태인 것으로 확인되었는데, 이는 실제 사람의 뇌가 느낄 수 있는 신호와 유사하다는 장점이 있어 향후 신체에 직접 적용 가능하며 다양한 응용에 유리하다. 
 또한 센서의 표면에 형성된 지문을 모사한 마이크로 패턴을 통해 실제 물체의 거칠기를 정밀하게 읽어들일 수 있어 12개의 서로 다른 종류의 직물의 거칠기를 99%의 정확도로 센싱하는 성능을 보여주었다.   

 

  연구결과문답  

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
기존에 발표된 기계적 센서 연구들은 주로 기계적 압력을 측정하는 정도였다. 본 연구는 물체 표면의 미세한 거칠기를 측정할 수 있는 센서 라는 부분이 기존 연구와 가장 크게 차별화 되는 점이다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?
현재 상용화된 증강현실은 시각적 정보에만 의존한다. 이번에 개발된 촉각센서를 이용하면 착용 가능한 수트 형태로, 촉감이나 질감을 이용한 증강현실 구현이 가능할 것으로 기대된다. 또한 향후 연구가 많이 진행된다면 언젠가는 사람의 피부를 대체할 수 있는 인공피부의 구현이 가능할 것으로 기대한다. 

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?
당장 실용화하기 위해서는 값비싼 재료의 문제와 복잡한 제작 공정이 극복해야할 과제이다. 

Q. 연구를 시작한 계기는?
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 되었다.

Q. 어떤 의미가 있는가?
이번에 개발된 촉각 센서는 물체의 거칠기를 전기신호로 변환할 수 있는데 이때 나온 전기신호는 실체 인체의 감각 수용체에서 발생한 신경전달 세포의 신호와 그 형태와 작동 메커니즘이 매우 유사하다. 따라서 향후에 사람의 뇌가 정말로 그 물체를 만지고 있다고 생각할 수 있는 진보된 촉각 센서의 구현이 가능하다는 것을 시사하고 있다. 

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?
이번에 개발된 피부형 촉각 센서를 시작으로 향후 다양한 센서 및 인공피부 관련 연구에 초석이 되기를 기대한다.


  그림설명  

[그 림] 인간 피부 내 감각 수용체(a)와 인공피부(b) 각각에서 발생하는 전기 신호 분석(c)


 인간의 손가락 피부와 피부 내 다양한 감각 수용체(a)를 모사해 지문과 마찰전기 기반의 고속 응답(FA, Fast Adaptive) 수용체, 그래핀 센서 기반의 저속 응답(SA, Slow Adaptive) 수용체 등으로 구성된 인공피부(b)를 잘 보여준다. 이 때 실제 사람의 피부 감각 수용체에 의해 형성되는 전기신호와 본 연구를 통해 개발된 인공피부의 전기신호를 비교한 모습(c)이다.

 

  논문바로보기    ☞ Nano Letters

 

 

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