[인더스트리뉴스 한원석 기자] 국내 연구진이 인체 촉각을 구현한 차세대 촉각 센서 개발로 발전된 휴머노이드 연구에 성큼 다가섰다. 휴머노이드란 인간의 신체와 유사한 형태를 지닌 로봇을 말한다.

고려대학교 기계공학부 한창수 교수 연구팀은 인체 촉각을 유사하게 모방해 압력, 인장, 전단 등 다중 자극을 각각 측정할 수 있는 촉각 센서를 개발했다고 7일 밝혔다. 이번 연구 성과는 작년 12월 9일 국제적인 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티어리얼즈’에 온라인 게재됐다.

인체의 손에는 다양한 종류의 센서가 다수 분포하기 때문에, 사람은 손을 활용해 빠른 속도로 점자를 읽으며 어둠에서 열쇠를 이용해 문을 열 수 있다.

반면 휴머노이드는 인간과 유사한 행동은 가능해도 촉각 부분에서 발전이 미비한 상태다. 실제 휴머노이드에는 1~2종류의 센서만 가능하며, 감지할 수 있는 센서의 성능도 뛰어나지 않다.

연구팀에 따르면 사람의 촉각은 표피와 진피 사이에 압력, 전단, 인장 3종류의 센서가 있어 외부 자극에 동시에 반응하면서도, 특정 자극에 선별적으로 빠르게 혹은 느리게 반응하는 적응형 응답 특성을 가진다. 이러한 3종류의 센서는 자극에 동시에 반응하지만, 자극의 종류에 따라 선호적으로 반응하는 특징을 갖고 있다.

예를 들어, 우리가 물건을 손으로 잡아 이동시킬 때는 손의 힘을 느끼는 압력센서가 반응한다. 그리고 미세한 표면의 거칠기나 피부의 움직임을 측정해 미끄러지는 것은 전단 센서가, 피부가 당겨지는 것은 인장 센서가 감지한다. 이런 생체 기능을 모방한 촉각 센서 연구는 지난 50년이 넘게 이어져 왔지만, 세 종류의 센서를 생체 특성에 맞게 모방·조합해 인체와 유사하게 감지하는 센서는 없었다.

공동 연구팀은 인체 촉각의 서로 다른 수용체를 각각 모사한 차세대 다중 모드 통합 촉각 센서를 개발했다. 이를 위해 수용체의 작동 원리, 구조, 기능, 주파수 성능 및 배치를 고려해 새로운 센서를 개발하고 통합했다.

연구팀은 소프트 소재를 활용해 촉각 수용체의 작동 원리 및 구조를 최대한 유사하게 모방했다. 또한 느리거나 빠른 적응성을 가진 수용체의 응답 특성을 모방하기 위해 측정 방식을 각각 달리했으며, 성능을 유사하게 모방하기 위해 센서 소재 및 구조를 적합하게 디자인했다.

먼저 인공 머켈 센서(압력)는 피에조 소자와 이온겔 소자를 결합해 자극에 정적으로 반응하는 압력 센서를 구현했다. 인공 마이스너 센서(전단)는 실제 마이스너의 구조와 결합 형태, 신호 생성 메커니즘을 고려해 전단에 매우 민감하게 반응하도록 유연한 피에조 물질로 만들었다. 인공 루피니 센서(인장)는 안정적으로 인장에 반응하는 탄소나노튜브 복합 소재를 이용해 제작했다.

이렇게 개발한 다중모드 통합 촉각 센서를 사용해 과거에 생리의학자들이 실험했었던 동물의 촉각 수용체에서 발생하는 신호를 그대로 재현했으며, 3종류의 센서가 물체를 조작하고 인지할 때 중요한지의 궁금증에 대해 해답을 제시했다.

연구팀을 이끈 한창수 교수는 “휴머노이드의 한계를 크게 뛰어넘을 기회가 될 것”이라며 “의수, 수술 로봇, 햅틱 장치, 입는 로봇 등에서 큰 효과가 있을 것“이라고 기대감을 밝혔다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구사업의 지원으로 수행됐다.

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