인간의 감각 가진 전자피부·털 개발… 휴머노이드는 물론 인간에게도?

2022.05.06

^{인공피부를 사용한 영화 터미네이터 속 주인공 아놀드 슈워제네거. (사진=파라마운트)}

로봇 활용이 날로 늘어날 것으로 예상되는 가운데 소름 돋는 발명이 최근 공개했다.

과학자들이 인간 피부의 자연스러운 촉감을 모방한 전자 털을 가진 로봇을 개발하고 있다. 팔에 털이 많은 로봇의 아이디어는 최신 SF 블록버스터 영화 속 ‘터미네이터’를 떠올리게 한다. 그러나 이 기이한 발명은 곧 현실이 될 수 있을 것으로 보인다. 전자피부는 영화 터미네이터에서처럼 지금보다 훨씬 더 사람 같은 휴머노이드 로봇을 만드는 데 사용될 수 있다.

독일의 과학자들이 인공 털까지 통합한 전자 피부 개발에 큰 진전을 이뤘다는 소식을 전했다. 이 털은 자연적인 촉감을 허용하고, 거칠고 매끄러운 것과 같은 다른 감각과 촉각이 오는 방향까지 감지하게 해 준다.

피부 표면의 털은 센서와 연결돼 있어 촉각을 감지할 수 있다. 이 시스템은 이방성(異方性) 자기 저항(AMR) 센서 시스템을 사용해 자기장의 변화를 정밀하게 결정할 수 있다. 과학자들은 이 전자피부가 사람에게도 사용될 수 있을 것으로 기대하고 있다. 사람의 피부 만큼은 아니지만 엄청난 발전임에는 틀림이 없다.

자기 저항 이용해 자연스럽게 촉감 인식하는 인공피부

^{독일 켐니츠 공대 과학자들이 인공 털 일체형 전자피부 개발에 큰 발걸음을 내디뎠다. 연구원들은 이 전자피부가 앞으로 인간을 위한 피부 대체, 휴머노이드 로봇을 위한 인공 피부 등 다양한 용도로 사용될 수 있을 것이라고 말한다. (사진=네이처 커뮤니케이션즈)}

이전에도 전자 피부 시스템이 개발됐지만 이들 시스템은 가장 큰 문제는 자연스러운 촉감을 인식하는 기능이 부족했다는 점이다. 독일 켐니츠 공대 연구진은 이 같은 문제에 대응하기 위해 인공 털이 통합된 전자피부 개발에 착수했다.

이 전자피부의 원리에 대해 이 연구 제 1 저자인 크리스티안 베커는 “우리의 접근 방식은 3D에서 병렬 제조 공정에서 대량 생산될 수 있는 기능적 센서 요소의 정확한 공간 배치를 가능케 한다. 이러한 센서 시스템은 기존에 확립된 마이크로 전자 제조 방법으로는 생성하기가 매우 어렵다. 이 시스템은 자기장의 변화를 정밀하게 결정할 수 있는 이방성 자기 저항(AMR·Anisotropic Magneto-resistance) 센서 시스템을 사용한다”고 설명했다.

마이크로-오리가미 프로세스로 작은 공간에 더많은 센서 집적

^{위 왼쪽은 통합마이크로오리가미센서(IMOS)장치로서 8x8픽셀 매트릭스(아래 오른쪽 축적 막대 길이는 2mm)를 가지고 있다. 위 오른쪽 확대 사진은 이 센서의 픽셀 어레이로서 픽셀 피치는 1.1mm×1.1mm(축적 막대 길이는 500µm)다. 아래 왼쪽은 작은 네오드뮴(NdFeB) 영구 자석과 함께 작동되는 통합마이크로 오리가미센서(IMOS)센서의 이미지다. 아래 오른쪽은 8×8 센서 픽셀 위치에서의 자기 벡터의 시뮬레이션 결과다. (사진=네이처 커뮤니케이션즈)}

지금까지 AMR 센서들은 현재 자동차의 속도 센서로 사용돼 움직이는 부품의 위치와 각도를 결정하는 데 사용돼 왔다.

독일 켐니츠대 연구원들은 이른바 ‘마이크로-오리가미 프로세스’를 사용해 이 센서들을 3D 구조로 접어서 더 많은 센서들을 작은 공간에 밀어 넣을 수 있었다. 그런 다음 3D 마이크로-오리가미 구조는 하나의 활성 매트릭스로 통합됐으며, 여기서 각각의 AMR 센서는 마이크로 전자 회로에 의해 판독됐다.

이 연구의 공동 저자인 다일 카로노이셴코 박사는 “능동매트릭스 (네오디뮴 자석·NdFeB) 자기(자석) 센서와 자가 조립하는(self assembling) 마이크로-종이접기 구조의 결합은 고해상도 3D 감지 시스템을 소형화하고 통합하는 완전히 새로운 접근 방식”이라고 말했다.

이른바 ‘통합 마이크로 오리가미 센서(IMOS)’ 시스템 기반의 전자피부가 탄생한 것이다.

연구진은 이제 자기(磁氣)적으로 뿌리내린 미세한 털을 가진 이 센서 시스템을 탄성 고분자 중합체 물질로 만들어진 전자피부와 통합했다. 머리카락이 만져질 때 그 아래에 있는 센서는 움직임을 등록하는 것은 물론 실제 인간의 피부처럼 그 움직임이 정확히 어느 방향에서 왔는지도 등록한다.

인간에게도 전자피부가 사용되나?

^{기계 수용체를 만들기 위해 자기(magnetic) 털을 심은 전자피부. 누군가가 털(모발)을 만지면, 그 아래에 있는 센서가 움직임을 등록할 수 있으며, 실제 사람의 피부처럼 정확한 방향까지 등록할 수 있다. (사진=네이처 커뮤니케이션즈)}

왼쪽 큰사진 (a)는 자기 모발이 박힌 전자 피부 시스템의 사진이다. 신호 수신을 위한 캡슐화된 통합마이크로오리가미센서(IMIS) 어레이와 기계적 자극을 변환하기 위한 자성 털이 박힌 피부층(축적 막대 길이는 5mm)이다. 오른쪽 큰 사진(b)는 전자피부 통합 과정을 보여준다.

맨 위 왼쪽부터 1. 통합마이크로오리가미센서(IMOS) 장치는 에폭시에 의해 캡슐화된다. (축적 막대 길이 4mm). 2.작은 자석이 머리카락에 부착돼 에폭시에 심어지고 있다. (축적 막대 길이 2mm). 3. 심어지는 머리카락 간격을 띄워 줄 구멍이 난 PDMS필름이 만들어졌다. (축적 막대 길이 5mm). 4. 초 유연성 친환경유연(에코 플렉스)필름이 주조된다. (축적 막대 길이 2mm). 5.마그네틱 헤어, PDMS(Polydimethylsiloxane)스페이서 및 에코플렉스 스킨이 조립된 모습이다. (축적 막대 길이 15mm). 6. 자석이 PDMS 스페이서의 구멍(cavity) 내에 고정되어 있음을 보여주는 피부층의 하단 그림. 축적막대 길이 5mm.

연구진은 이 전자 피부가 미래에 다양한 중요한 용도를 가질 수 있을 것으로 믿고 있다. 예를 들어 그것은 인간을 위한 피부 대체물, 또는 신체에 사용되는 의료용 센서 개발에 사용될 수 있다. 또한 인간과의 상호작용을 감지할 수 있는 더 현실과 가까운 휴머노이드 로봇을 만드는 데 사용될 수도 있다.

이 내용은 네이처커뮤니케이션즈 4월19일자에 소개됐다.