휴머노이드 로봇, 인공의수, 위조품 감별 등에 활용 가능
한국표준과학연구원(KRISS, 원장 신용현) 질량힘센터 김민석 박사팀이 사람보다 정확하게 촉감을 구별할 수 있는 로봇을 개발했다.
해당 로봇은 인간의 피부처럼 작동하는 인공 촉각센서와 센서를 통해 수집되는 촉각정보를 기억할 수 있는 저장 공간으로 구성되어 있다.
일반적으로 사람이 어떤 사물을 만질 때, 피부는 질감, 온도 등의 정보를 동시다발적으로 습득한다. 이후 뇌는 이전에 기억하고 있던 촉각정보와 비교하고 만약 일치하면 그 사물의 촉감이라고 판단한다.
김민석 박사팀이 개발한 촉각센서는 사물을 만질 때 사람의 손처럼 재질에 따른 거칠기, 마찰력, 온도, 강도 등 다양한 촉각정보를 습득한다.
◦ (거칠기) 촉각센서의 표면에는 사람의 지문을 모사한 돌기가 미세한 진동을 감지하여 사물의 거칠기를 파악한다.
◦ (마찰력) 촉각센서에 내장된 고감도 유연 힘센서는 사물에 접촉하여 3방향의 힘(수직력, 수평력)을 동시에 측정한다. 수직력과 수평력의 비가 바로 표면의 마찰계수가 된다.
◦ (온도) 센서 외곽층에 삽입된 초박막 도선은 온도의 변화에 매우 민감하기 때문에 사물 접촉 시 나타나는 열의 흐름을 파악하고 표면온도를 측정할 수 있다.
◦ (강도) 사람이 손으로 누르듯이 고감도 힘 센서가 수직방향으로 사물을 누르며 무르고 단단한 정도를 파악한다.
이렇게 수집된 4가지 종류의 촉각정보는 각각 수치화 되어 데이터베이스로 저장된다. 사람의 피부보다 민감한 고성능 반도체 실리콘 기반 센서가 측정값을 수치화하여 저장할 수 있기 때문에 사람보다 사물을 정확하게 구별할 수 있다.
◦ 인간의 뇌가 이전에 기억한 정보와 비교하는 것처럼 해당 로봇도 설정된 알고리즘을 통해 이전에 저장된 사물정보와 비교한다.
◦ 연구팀은 섬유, 나무, 플라스틱 등 25여 개의 각기 다른 샘플을 지속적으로 시험한 결과 98 % 이상의 높은 정확도를 확인하였다.
미국, 일본 등 해외뿐만 아니라 국내 여러 대학에서도 인공촉각센서를 활발히 연구 해오고 있지만 KRISS 연구팀처럼 여러 형태(거칠기, 마찰력, 온도, 강도)의 촉각정보를 측정하고 구별하는 사례는 세계 최초이다.
◦ 가장 활발한 관련 연구를 하는 곳 중인 서던 캘리포니아 대학교(University of Southern California)에서도 유체방식의 촉각센서를 이용하여 촉감구별능력을 시연한 바 있으나 미끄러지는 힘인 마찰력을 측정하지 못했다.
해당 장치는 사람의 목소리를 MP3 등 파일로 저장하는 것처럼 촉각정보를 파일로 저장할 수 있다는 것이 가장 큰 특징이다.
KRISS 는 “앞으로 본 기술이 발전하면 사람처럼 촉각을 느낄 수 있는 휴머노이드 로봇 개발을 앞당길 것으로 기대한다”고 말하며 “촉각정보를 비교할 수 있다는 특징으로 위조품 판별, 화장품 효과 측정 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다”고 말했다.
본 사업은 미래창조과학부(장관 최양희) IT·SW융합산업원천기술개발사업의 지원을 통해 진행되었으며, 관련 국내외 특허는 올해 초에 출원된 상태다.
* 연구 성과 관련 설명 자료
사람은 사물의 촉감을 손가락으로 문지르면서 느끼는데 이때 사물 표면의 거칠기에 따른 미세한 떨림(진동), 표면이 딱딱한지 무른지를 나타내는 강도, 잘 미끄러지는지 안 미끄러지는지 나타내는 마찰력(계수), 피부의 열을 전달하는 정도(열전도도) 등의 물리량을 손가락 피부의 표피와 진피에 위치하고 있는 여러 수용기에서 측정하여 두뇌로 보낸다. 두뇌로 보낸 수용기의 신호를 종합적으로 분석하여 기억하고 있는 신호와 일치하면 그 사물의 촉감이라고 아는 것이다.
사람의 피부와 유사한 기능이 연구팀이 개발한 인공촉각센서로 실현되었다.
[거칠기] 문지르는 동작을 수행하기 위하여 촉감 시료를 수평으로 이송하는 장치를 개발하였다. 인공촉각센서 최 외곽층은 사람의 지문을 모사한 돌기가 패턴이 되어 있어 사물 표면에 따라 진동이 발생하도록 하였으며 표면진동을 잘 전달하기 위한 사각 돌기(범프)가 센서에 내장되어 있어 작은 진동도 잘 감지할 수 있도록 구현했다.
[마찰력] 인공촉각센서는 고감도의 유연 힘 센서를 내장하고 있어 사물을 접촉할 때 3방향의 힘(수직력, 수평력)을 동시에 측정이 가능하다. 사람이 패트병을 잡을 때 병을 구기지도 않고 떨어뜨리지도 않을 정도로 제어할 수 있는 것은 3축 방향의 힘을 동시에 감지하기 때문이다. 또한 사물을 문지를 때 저항감을 측정할 수 있는데 수직력과 수평력의 비를 구하면 바로 사물 표면의 마찰계수가 된다.
[온도] 사람은 사물의 따뜻하고 차가운 정도를 열전도도를 통해 느낀다. 가령 열평형상태에 있는 금속재질의 물건과 스티로폼을 만졌을 때 모두 상온에 있으므로 두 사물의 온도는 같다. 하지만 금속은 열전도도가 크므로 사람의 체열이 빨리 빠져 나가므로 차갑게 느껴지는 것이다. 인공촉각센서에는 사람처럼 체열을 발생시키는 히터와 온도를 감지하는 초박막 도선이 내장되어 있어 사물을 접촉했을 때 발생하는 열의 흐름(열전도도)을 측정한다.
[강도] 또한 사물의 단단한 정도인 강도는 사람이 사물의 강도를 손으로 눌러서 알아내듯이 센서를 수직방향으로 이송하여 접촉 힘과 압입깊이와의 상관관계를 측정하여 구별하였다.
[관련 성과 활용 가능 사례]
구분 | 분야 | 활용 가능 사례 |
1 | 인공피부 & 인공의수 | 몇 년 전 불의의 사고로 한쪽 팔을 잃은 A씨는 인공의수를 착용하고 있다. 하지만 일상생활에서 큰 불편함은 못 느끼고 있다. 인공 팔에는 인공촉각센서가 장착되어 실제 손보다 더 정확하게 촉감정보를 구분하기 때문이다. |
2 | 위조품 감별 | 명품 감별사인 C씨는 많은 경험에도 불구하고 시간이 지날수록 보다 치밀해지는 위조품을 구별하기 쉽지 않다. 인공촉각센서를 이용하면 사람이 느끼지 못하는 진품과 가품의 촉감 차이를 쉽게 알 수 있기 때문에 제품 구별이 보다 용이해진다. |
3 | 화장품 효과 측정 | 피부미용에 관심이 많은 D씨는 화장품 선택에 민감한 편이다. 인공촉각센서를 이용하여 화장품 사용 전과 후의 피부상태를 측정하면 어떤 화장품 제품이 자신에게 맞는지 효과적으로 알 수 있다. |
참고 자료 : 관련 성과 사진 설명
▲ KRISS에서 개발한 촉각로봇(플랫폼)
▲ KRISS 김민석 박사팀이 개발한 로봇을 이용하여 다양한 샘플들의 촉각 정보를 구별하고 있다.
