SF영화 같은 전자피부, 한국 과학자들 韓日에서 동시 개발

최윤옥 | 기사입력 2020/11/20 [08:35]

SF영화 같은 전자피부, 한국 과학자들 韓日에서 동시 개발

최윤옥 | 입력 : 2020/11/20 [08:35]

 포스텍·도쿄대 연구진 사이언스에 동시에 발표

스마트 인공피부

국내외 한국 과학자들이 사람의 피부처럼 온도와 움직임을 동사에 느끼고, 실제와 구별하기 힘들 정도로 얇은 인공 피부를 잇따라 개발했다. 앞으로 촉감을 잃은 환자의 재활과 인간과 같은 감각을 가진 로봇을 개발하는 데 도움을 전망이다. ·

포스텍(포항공대) 신소재공학과 정운룡 교수팀은 미국 스탠포드대 제난바오 교수팀과 공동으로 “온도와 기계적인 자극을 동시에 측정할 수 있는 인공 피부를 세계 최초로 개발했다”고 20일 국제학술지 ‘사이언스’에 발표했다. 같은 날 일본 도쿄대의 이성훈 교수 연구진은 피부에 부착해도 구별이 되지 않을 정도로 얇은 전자피부를 사이언스에 발표했다.

전자피부를 실제로 밀었을 때의 인식 이미지. 접촉한 부분의 온도변화, 힘의 방향을 정확하게 인식한다./포스텍

◇움직임과 온도 동시에 측정가능한 인공피부

피부는 단순히 장기를 보호할 뿐 아니라 생존을 위해 자극이나 온도 정보를 제공하는 역할을 한다. 피부 전체에 빽빽하게 채워져 있는 촉각 수용체들은 만지거나 꼬집기와 같은 기계적인 자극이나 기온을 느끼고, 전기 신호를 만들어 뇌에 전달한다. 촉각 수용체는 기계적 자극과 온도 자극을 구분하는 데, 지금까지 발표된 전자 피부는 온도를 측정함과 동시에 피부에 기계적인 자극이 가해지면 온도에 큰 오류가 생기는 문제가 있었다.

연구진은 인간 피부가 촉각 수용체가 전해질로 가득 차 있어 변형이 자유로우면서도 망가지지 않는다는 점에 주목했다. 그리고 전해질을 함유한 이온 전도체 소재가 측정 주파수에 따라 측정할 수 있는 성질이 달라진다는 점을 이용해, 촉각과 온도를 동시에 측정할 수 있는 다기능성 인공 수용체를 만들어냈다. 이 전자 피부는 밀림, 꼬집기, 벌림, 비틀림 등의 여러 움직임에 대해 힘을 가한 방향이나 늘어난 정도는 물론, 힘을 가한 물체의 온도도 정확하게 측정해낸다.

센서를 붙인 뒤 술을 마시기 전과 마신 후의 온도 변화를 IR카메라로 측정했다. 목의 움직임에도 정확하게 체온을 인식한다./포스텍

이 인공 피부는 웨어러블 온도센서나 ‘휴머노이드’와 같은 로봇 피부에 적용할 수 있을 것으로 기대된다. 정운룡 포스텍 교수는 “연구의 최종목표는 인간의 촉각 수용체와 신경 전달을 모사한 인공 전자 피부를 만들어 질병이나 사고로 인해 피부나 장기의 촉각 기능을 잃은 환자들의 촉각을 복원하는 데 도움이 되는 것”이라고 말했다.

◇日 연구진, 얇은 두께의 압력센서 개발

일본 도쿄대 이성훈 교수 연구진도 피부에 부착할 수 있는 아주 얇은 두께의 압력센서를 개발해 국제학술지 ‘사이언스'에 20일 발표했다. 센서를 손가락에 붙이면 물체와 손가락의 상호 작용을 측정할 수 있고, 이를 의료 데이터 등에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

손가락 피부에 얇은 전자피부를 붙이고 작은 기계부품을 감지하는 모습./일 도쿄대

손은 사람이 다양한 작업을 할 수 있는 도구로, 과학자들은 손과 손가락의 움직임을 기록하려고 한다. 스포츠나 의학, 공학 등에 도움이 되지만, 데이터를 수집하는 것은 쉽지 않다.

도쿄대 이성훈 교수는 “손가락 끝은 극도로 민감하기 때문에 실제로는 수백만 분의 1 미터 두께라고 해도 감각에 영향을 미칠 수 있다”라며 “따라서 손가락용 웨어러블 센서는 극도로 얇아야하는데, 문지르거나 반복적인 물리적 동작으로 인해 손상되기 쉽다”고 말했다.

도쿄대 물리공학과를 졸업해, 같은 대학에서 석·박사학위를 받은 이성훈 교수는 현재 도쿄대학교대학원 공학계연구과 조교수로 재직 중이다.

연구진은 이를 극복하기 위해 얇으면서 다공성인 특수 소재를 만들었다. 센서는 두개의 층으로 구성됐다. 하나는 사람 머리카락 두께의 약 500분의1 정도인 200~400 나노미터(1나노미터는 10억분의 1미터)의 절연 폴리우레탄 그물이다. 다른 층은 금으로 만들어진 전자 부품이다. 두 층이 합쳐져서 압력을 느낀다.

손가락 피부에 얇은 전자피부를 붙이고 바늘의 촉감을 감지하는 모습./일 도쿄대

연구진이 실험할 결과, 센서는 피부 민감도에 영향을 주지 않는 것으로 나타났다. 즉 부착하지 않을 때와 비교해 큰 차이를 못 느꼈다는 것이다. 그리고 센서는 100 킬로파스칼의 힘(대략 대기압에 해당하는 힘)으로 300회 문질러도 파손 없이 압력 센서로서의 성능을 유지했다.

하늘은 슷로 돕는자를 돕는다 지성이면 감천 민심이 천심이다.
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