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Research

고통을 느낄 수 있는 정신감각적 전자 피부기술 개발

  • 조회. 587
  • 등록일. 2019.08.21
  • 작성자. 홍보팀

고통을 느낄 수 있는 정신감각적 전자 피부기술 개발
- DGIST 장재은 교수팀, 로봇이나 전자기기가 촉각으로 고통을 느끼는 전자피부 기술 개발
- 인간의 오감을 필요로 하는 휴머노이드 분야 및 의수착용환자에 적용 기대

△DGIST 정보통신융합전공 장재은 교수(좌), 심민경 석박사통합과정학생(우)

 

 DGIST(총장 국양) 정보통신융합전공 장재은 교수팀이 사람처럼 바늘에 찔리거나, 뜨거운 물체로부터 고통을 느끼는 전자피부 기술을 개발했다고 21일(수) 밝혔다. 이번 연구결과는 향후 휴머노이드 로봇개발과 의수착용환자에게 적용될 것으로 기대된다.

 인간의 오감을 모방하려는 시도는, 카메라와 TV 등 매우 획기적인 전자기기의 개발을 이루었고, 인간의 삶을 획기적으로 변화시킨 발명으로 평가된다. 따라서 많은 과학자들은 오감 중에 남아 있는 영역인 촉각, 후각, 미각을 모방하려는 연구를 지속적으로 수행중이며, 여러 가지 기술적인 이유로 촉각이 다음 모방 기술이 될 것으로 예측하고 있다. 

 현재 대부분의 촉각 센서 연구는 로봇이 물체를 잡는데 사용되는 압력을 측정하는 물리적인 모방기술에 집중하고 있으며, 사람이 촉각으로부터 느끼는 부드러움 또는 거칠기 같은 정신감각적인 촉각 연구는 아직 미진하다.

 이에 장재은 교수팀은 DGIST 뇌·인지과학전공 문제일 교수팀, 정보통신융합전공 최지웅 교수팀, 로봇공학전공 최홍수 교수팀과의 공동 연구를 통해 사람처럼 고통과 온도를 느낄 수 있는 촉각 센서를 개발했다. 주요 장점은 센서의 구조를 단순화하여 압력과 온도를 동시에 측정할 수 있다는 것과, 센서의 측정 원리와 상관없이 다양한 촉각 시스템에 적용 가능하다는 것이다. 

 이를 위해 연구팀은 산화아연 나노와이어(ZnO Nanowire)기술에 집중했다. 산화아연 나노와이어는 압력을 감지하여 전기신호를 발생시키는 압전 효과 덕분에 배터리가 필요 없는 자가 발전형 촉각 센서로 적용됐다. 또한 제벡 효과(Seebeck effect)1)를 이용한 온도 센서가 동시에 적용돼, 하나의 센서로 두 가지 일을 하는 구조로 만들었다.

 연구팀은 폴리이미드 유연 기판에 전극을 배열한 후 산화아연 나노와이어를 접목시켰고, 압전 신호 및 온도에 의한 제벡 효과를 동시에 측정이 가능했다. 더불어 압력의 크기와 온도를 고려한 고통 신호 발생 여부를 판단하는 신호처리 기법 개발도 성공했다.

 DGIST 정보통신융합전공 장재은 교수는 “미래형 촉각 센서 개발에서 필수적인 고통 감지를 효과적으로 구현할 수 있는 핵심기반기술을 개발했다. 이는 나노공학, 전자공학, 로봇공학, 뇌과학 분야 전문가들의 융합 연구 결과로 다양한 감각을 느끼는 전자 피부 및 새로운 인간-기계 상호작용 연구에 적극 활용할 수 있을 것으로 기대된다”며, “AI분야가 발전할수록 위험 요소 중 하나는 로봇의 공격적 성향 제어 여부인데, 로봇도 고통을 느낄 수 있다면 공격성향을 제어할 수 있는 기술로 확장될 것”이라고 말했다. 

 한편, 이번 연구는 정보통신융합전공 심민경 석박사통합과정 학생이 제1저자로 참여했으며, 세계적 국제학술지인 소프트로보틱스(Soft Robotics) 온라인판에 7월 23일(화) 게재됐다.


1) 제벡 효과(Seebeck effect) : 상이한 금속을 접합하여 전기회로를 구성하고, 양쪽 접속점에 온도차가 있으면 회로에 열기전력이 발생하는 현상

 

   연구결과개요   

Electronic Skin to Feel “Pain”: 
Detecting “Prick” and “Hot” Pain Sensations

Minkyung Sim, Kyung Hwa Lee, Kwon Sik Shin, Jeong Hee Shin, Ji-Woong Choi, Hongsoo Choi, Cheil Moon, Hyun Sik Kim, Yuljae Cho, Seung Nam Cha, Jae Eun Jung, Jung Inn Sohn, and Jae Eun Jang
(Soft Robotics, Online published on 23rd July, 2019)

 인간의 오감을 모사하기 위한 연구가 시작된 이후로, 시각이나 청각과 같은 모사의 완성 단계에 이르렀다. 하지만 아직 완전히 모사되지 않는 촉각, 미각, 후각 감각을 모사하기 위한 연구도 많이 진행 중이다. 본 연구에서는 인간의 촉각 모사에 중점을 두고 연구를 진행했다. 기존의 연구들은 센서의 성능을 증가시키기 위한 연구를 많이 진행했지만 사람이 실제적으로 느끼는 정신감각적인 자극의 구분을 위한 연구는 거의 이뤄지지 않은 상태이다. 따라서 본 연구에서는 압력과 온도를 감지하여 고통신호를 발생시키는 촉각 시스템을 연구하여 센서의 구조를 단순화하기 위해 산화아연 나노와이어의 압전, 제벡효과를 사용하여 압력과 온도를 동시에 측정할 수 있는 센서를 개발했다. 또한 측정된 자극의 유형을 판단하기 위해 신호처리 기술을 이용하여 압력, 온도, 그리고 자극을 받은 센서의 면적을 계산하여 찔리는 고통 및 뜨거운 고통 신호를 발생시키는 시스템을 개발했다. 


   연구결과문답   


Q. 이번 성과 무엇이 다른가?

현재 촉각 센서를 개발하기 위한 다양한 연구들이 진행되고 있는데, 주로 센서의 성능을 향상시키기 위한 연구가 많다. 예를 들어 특정한 패턴을 이용하여 민감도를 극대화시킨다던지 유연 기판 및 전극 패턴 기술을 이용하여 유연하고 외부 자극에 손상을 입지 않고 오래 사용할 수 있는 기술을 많이 연구했다. 하지만 본 연구팀은 센서의 다음 단계로서 측정된 자극의 유형을 구분하는 연구를 진행 했다. 센서가 인공 피부로 활용되기 위해서는 사람처럼 고통을 느껴야 한다는 점에 주목했고, 산화아연 나노와이어와 신호처리 기술을 이용하여 찔림 또는 뜨거움에 의한 고통 신호를 발생시키는 촉각 센싱 시스템을 개발 했다. 특히 산화아연 나노와이어는 압력과 온도를 동시에 측정할 수 있어 센서의 구조를 단순하게 제작할 수 있다는 큰 장점이 있다. 그리고 신호처리 기술은 센서의 측정 메커니즘과 상관없이 적용될 수 있기 때문에 범용성이 높은 기술이라고 말할 수 있다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?

인간과 비슷한 휴머노이드 로봇이나 안타까운 사고로 의수를 착용해야 하는 분들에게 실제 다양한 감각을 제공 하는 하는 인공 의수 분야에서 사용되는 것을 목적으로 한다.

Q. 실용화까지 필요한 시간은?

고통뿐만 아니라 거칠기, 부드럽기와 같은 촉각으로 느낄 수 있는 다양한 감각을 감지하기 위해 후속 연구를 진행 중이다. 특히 머신러닝 기술과의 융합 연구를 통해 사람처럼 느끼는 촉각 아바타 시스템을 개발하는데 성공했고 3D 프린터를 이용하여 제작된 인공 손가락에 센서를 장착하여 측정을 진행 중이다. 후속 보완 연구 역시 추가적으로 진행될 예정이다.

Q. 실용화를 위한 과제는?

본 연구는 센서가 감지한 자극으로부터 자극의 유형(고통 여부)를 판단하는 연구이기 때문에 센서의 신뢰성이 매우 중요하다. 따라서 상용화를 위한 센서 개발을 위해 민감도와 같은 센서 자체의 성능을 극대화하고 시스템을 경량화 시키는 노력이 필요하다.

Q. 연구를 시작한 계기는?

인간의 오감을 모방하기 위한 기계를 개발하려는 시도는 오래전부터 있었다. 이미 청각은 레코더와 축음기로, 시각은 카메라와 TV 등으로 모방에 성공했다. 이런 모방은 인간의 삶을 획기적으로 변화시킨 발명으로 이어졌지만 아직 촉각, 후각, 미각은 여전히 모방하지 못한 미지의 영역으로 남아있었다. 감각을 모사하기 위한 연구의 수준이 각기 다른 이유는 모사해야하는 요소의 숫자에 달려있다. 청각은 주파수, 시각은 적색, 녹색, 청색(R, G, B)과 명암을 감지하는 4개의 입력으로 구성된다. 하지만 후각이나 미각과 같은 경우는 수십~수백 개의 요소를 감지해야하는 문제가 있어 모사가 매우 어려운 부분이 있다. 하지만 촉각의 경우 압력, 온도 등 일곱 개 정도의 요소로 결정 되는 만큼 생체모방기기의 차세대 주자로 주목받고 있어 촉각 센서의 개발을 연구하기 시작했다. 특히 1980년대 사이언스지에 게재된 논문에서 인간의 피부에서 전기신호를 발생시키는 원리가 압전효과와 매우 유사하다는 연구 결과를 통해, 압전 물질을 이용하여 센서를 개발하기 시작했다. DGIST 뇌·인지과학전공 문제일 교수팀과 함께 모방해야 하는 인간피부의 기계적 수용체와 관련된 융합 연구를 수행했고, 정보통신융합전공 최지웅 교수팀과의 융합 연구를 통해 고통 신호 발생 신호처리 기술을 연구하여 본 연구에서 결실을 맺게 되었다.

Q. 어떤 의미가 있는가?

일반적인 촉각 센서 개발과 관련된 연구들은 센서의 민감도를 증가 시키는 등 센서 본연의 기능을 향상시키기 위한 연구를 많이 진행했지만, 본 연구는 그 다음 단계를 고려하여 센서에 가해진 자극의 유형까지 판단하는 촉각 센서 시스템을 개발 했다. 고통뿐만 아니라 거칠기, 부드러움과 관련된 자극도 함께 느낄 수 있는 센서 시스템 개발을 함께 연구 중이다. 

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?

인간이 느끼는 여러 가지 자극을 그대로 재현하는 인공 피부를 개발하여, 휴머노이드 로봇분야 및 재활로봇 등 인간이 실생활에 필요로 하는 분야에서 큰 역할을 담당할 수 있는 연구성과로 완성시키겠다.


   그림 설명   

[관련그림] 촉각의 고통신호 생성을 모방한 인공센서 및 신호처리 기반 인공 고통 신호 생성 모식도

 

   논문 바로 보기      ☞  Soft Robotics 

 


 

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