인간처럼 감각을 구분하고 느끼는 로봇 피부 개발
인간처럼 감각을 구분하고 느끼는 로봇 피부 개발
  • 더케이뷰티사이언스 ( office@thekbs.co.kr)
  • 승인 2018.10.26 11:00
  • 매거진 : 2019년 01월호
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스티브 박 교수(교신저자, KAIST), 김정 교수(KAIST), 오진원 석사과정 (제1저자, KAIST), 양준창 박사과정(제1저자, KAIST), 박현규 석사과정(KAIST)

[더케이뷰티사이언스] 오늘날 로봇연구는 인간과 같은 기능을 가진 휴머노이드, 몸에 착용 하는 헬스케어 장치 등 인간처럼 촉각을 구현하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.

국내 연구팀이 인간처럼 감각을 구분하고 느낄 수 있는 로봇 피부를 개발해 눈길을 끈다.

스티브 박 교수・김정 교수(한국과학기술원) 공동연구팀이 3차원 표면에 코팅이 가능하며 자극을 구분할 수 있는 로봇피부를 개발했다.

이 연구는 국제학술지 ACS 나노(ACS Nano) 8월 28일자 표지논 문에 게재됐다. 연구팀은 로봇의 복잡한 형상에 균일하게 코팅할 수 있는 로봇피부를 개발했다. 균일한 코팅은 로봇피부에 가해진 자극을 보다 정확히 측정할 수 있게 해주는 핵심 기술이다. 하지만 로봇 피부가 균일하게 코팅되는 기술은 아직까지 보고된 바가 없다.

연구팀은 용액공정을 활용해 손쉽게 복잡한 형상에 코팅이 가능한 로봇피부를 제작해 기존 문제를 해결했다. 또한, 개발된 로봇피부는 기존 로봇피부들과 달리 자극을 구분할 수 있는 특성을 보여, 한층 더 인간의 피부와 유사한 수준이다.

개발된 로봇피부 용액을 원하는 물체에 뿌린 뒤 굳히면 로봇피부가 형성된다. 매우 간편한 용액공정을 통해 제작하므로 저비용으로 대 면적 및 대량생산이 가능하다. 또한 복잡한 형태를 지닌 로봇에도 적용할 수 있다.

특히 이 로봇피부는 인간과 같이 압력과 마찰을 구분해낸다. 수직 압력과 마찰에 대해 로봇피부의 내부구조가 각각 다르게 변형되기 때 문에 이들을 구분할 수 있다. 또한 의료영상 기법 중 하나인 전기임피 던스영상(EIT) 기술을 이용함으로써 복잡한 전기 배선 없이 로봇피부 에 마찰이 가해지는 곳을 정확히 측정했다.

스티브 박 교수는 “개발된 로봇피부는 저비용으로 대량생산이 가능 하며, 복잡한 3차원 표면에도 손쉽게 코팅이 가능하다”라며 ”로봇 피부의 상용화에 한 걸음 가까워질 수 있는 원천기술이다”라고 연구 의의를 설명했다. 즉, 실제 로봇에 적용해 로봇에게도 인간 수준의 감각을 부여할 수 있을 것으로 기대되고, 상용화에도 한 걸음 다가갔다는 의미다.

앞으로 연구팀은 각각을 정확히 구분하고 측정할 수 있는 로봇피부를 개발해 실제 인간 수준의 로봇피부를 제작할 계획이다.

이 연구 성과는 과학기술정보통신부・한국연구재단 기초연구사업 (신진연구) 지원으로 수행됐다.

연구의 필요성

첫째. 4차 산업혁명과 함께 인간과 로봇의 상호작용이 빈번해짐에 따라 로봇에게도 인간과 유사한 수준의 촉각을 구현하기 위한 로봇 피부 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 현재 개발되고 있는 로봇 피부의 경우 상용화되기에 공정적인 부분과 기능적인 부분에서 각각의 한계점을 가지고 있다.

둘째. 로봇에 로봇피부를 도포하기 위해서는 복잡한 형상에도 로봇 피부를 코팅할 수 있어야하는데, 현재의 로봇피부들은 3차원 코팅 이 어렵다. 또한 기존의 로봇피부들은 복잡한 공정을 통해 제작되며 이에 따라 고비용이 발생하게 되어 대면적화 및 대량생산이 불가능 하다. 로봇피부가 상용화되기 위해서는 로봇의 전신에 도포되어야 하므로 3차원 코팅이 가능하며 대면적 및 저비용 대량생산이 가능 한 로봇피부가 필수적이다.

셋째. 기능적인 부분에서 인간의 피부는 다양한 자극 수용기를 통해 여러 자극(압력, 마찰 등)을 구분 할 수 있는 데 반해 기존의 로봇피 부들은 이를 구분하지 못한다. 따라서 로봇에게 여러 자극이 가해져도 로봇은 어떠한 방향에서 어떤 자극이 가해졌는지 인지할 수가 없다. 로봇에게도 인간과 유사한 수준의 촉각을 구현하기 위해서는 물 리적 자극을 구분할 수 있는 로봇피부가 요구된다.

전기임피던스영상법을 활용해 압력과 인장력을 측정했다. 압력이 가해질 경우 로봇 피부의 신호변화가 없다. 반면에 인장력이 가해지는 곳에는 로봇피부의 전도도가 감소해 신호변화가 발생한다.

연구 내용

첫째. 연구팀은 용액공정을 활용해 로봇피부 용액을 개발했다. 로봇피부 용액은 탄소나노튜브, 물, 탄성중합체를 혼합하여 제작되었다. 로봇피부 용액을 고온에서 가열하면 신축성 있는 다공성 구조의 로 봇피부가 형성된다.

둘째. 개발된 로봇피부는 기존의 로봇피부들과 달리 저비용으로 대 량 생산 및 대면적화가 가능하다. 또한 로봇피부 용액을 활용해 복잡한 3차원 형상에도 로봇피부 코팅이 가능하며, 다양한 코팅 방법 을 활용하여 원하는 모양의 로봇피부 제작도 가능하다.

셋째. 이 연구의 로봇피부는 다공성 구조를 활용하여 물리적 자극을 구분할 수 있도록 설계되었다. 로봇피부에 마찰(인장력)이 가해질 경우 기공의 내부에 미세 균열이 발생하여 저항이 증가하게 되는 반 면, 압력이 가해질 경우 기공이 닫히면서 구조체 내의 전류 흐름의 경로 변화가 최소화되어 저항 변화가 없다. 즉, 이 연구에서 제작된 목각 손 모형에 개발된 로봇피부 용액을 뿌린 뒤 가열해 3차원 표면에 로봇피부를 형성시켰다. 손가락이 구부러짐에 따라 로봇피부에 인장력이 가해져 신호가 바뀌었다. 또한 로봇피부 용액을 이용해 원하는 모양의 로봇피부 제작이 가능하다.

로봇피부의 경우 압력에는 둔감하고 마찰(인장력)에는 민감한 특성을 보인다.

넷째. 개발한 로봇피부를 실제 로봇에 활용하기 위해 전기임피던스 영상법(EIT) 이라는 의료 영상 기법과 결합했다. EIT는 전극을 소재 의 둘레에 부착해 소재의 저항 분포 형상을 촬영하는 이미징 기술이 다. EIT는 기존의 전극 배열 방식과 달리 로봇피부의 모서리에만 전 극이 필요하므로, 전기배선을 최소화 할 수 있다. 전기배선을 최소 화하므로 대면적화가 용이하고 3차원 표면에서도 활용할 수 있다. EIT를 활용해 실시간으로 로봇피부에 가해지는 마찰이 가해지는 위 치와 크기를 정확히 측정하는 데 성공했다.

연구성과·기대 효과

첫째. 이 연구에서는 3차원 코팅이 가능한 로봇피부를 개발했다. 기존에 연구된 여러 로봇피부들과 달리 저비용으로 대량 생산 및 대면 적화가 가능하며 3차원 표면에도 손쉽게 코팅할 수 있다.

둘째. 기능적인 부분에서는 자극을 구분하는 특성이 있다. 기존 로봇피 부들은 다양한 자극에 모두 반응하는 반면, 개발된 로봇피부는 마찰(인장력)에만 민감하며 압력에는 둔감한 특성을 보인다. 이는 로봇이 인간 과 같이 자극을 정확하게 느낄 수 있도록 할 것이다. 로봇피부의 상용화에 다가갈 수 있는 원천 기술을 개발했다고 판단된다.


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