영국 케임브리지대학교 연구진이 그래핀과 액체 금속 복합소재를 활용해 인간 손끝 수준의 정밀한 촉각을 구현할 수 있는 소형 3차원 힘 센서를 개발했다.
해외 IT·과학 매체는 케임브리지대학교(University of Cambridge) 연구진이 로봇의 촉각 능력을 크게 향상시킬 수 있는 그래핀 기반 미세 촉각 센서를 개발했다고 보도했다. 이 기술은 액체 금속 복합소재와 이차원 탄소 물질인 그래핀(graphene)을 기반으로 한 ‘피부’ 형태의 센서에 관한 것이다.
매체에 따르면 로봇은 시각과 움직임 능력은 빠르게 발전해왔지만, 촉각은 여전히 주요 약점으로 남아 있었다. 연구진이 개발한 이번 센서는 로봇이 물체를 누르는 힘의 크기뿐 아니라 힘이 가해지는 방향, 물체가 미끄러지고 있는지 여부, 표면의 거칠기까지 감지할 수 있게 해 주며, 공간 해상도 면에서 인간 손가락 끝과 맞먹는 수준의 소형화를 달성했다.
기사에 따르면 인간의 손가락은 여러 종류의 기계수용체를 이용해 압력, 힘, 진동, 질감을 동시에 감지한다. 이러한 다차원 촉각 인식을 인공 시스템에서 재현하는 것은 특히 실제로 활용 가능한 수준의 소형성과 내구성을 동시에 확보해야 하기 때문에 큰 도전 과제로 여겨져 왔다.
케임브리지 그래핀 센터(Cambridge Graphene Centre)의 토우피크 하산(Tawfique Hasan) 교수는 “대부분의 기존 촉각 센서는 너무 부피가 크거나 지나치게 취약하고, 제조가 너무 복잡하거나, 수직 방향 힘과 접선 방향 힘을 정확히 구분하지 못한다”고 말했다. 하산 교수는 이런 한계가 “진정으로 능숙한 로봇 물체 조작을 구현하는 데 큰 장벽이 돼 왔다”고 설명했다.
이를 해결하기 위해 연구팀은 그래핀 시트와 변형 가능한 금속 마이크로 방울, 니켈 입자를 실리콘 매트릭스에 삽입해 부드럽고 유연한 복합소재를 제작했다. 이 복합소재는 센서의 기본 재료로 사용됐다.
연구진은 인간 피부의 미세 구조에서 영감을 받아 이 소재를 일부는 폭이 200마이크로미터에 불과한 매우 작은 피라미드 형태로 성형했다. 이러한 피라미드 구조는 끝부분에 응력을 집중시켜, 센서가 매우 작은 힘도 감지하면서 동시에 넓은 측정 범위를 유지할 수 있도록 한다.
매체는 이 결과로 모래알 하나의 무게도 감지할 수 있을 만큼 민감한 촉각 센서가 구현됐다고 전했다. 기존의 유연한 촉각 센서와 비교해 새 장치는 크기와 검출 한계 측면에서 대략 한 자릿수 정도(10배 수준)의 개선을 달성했다.
또한 이 센서는 수직 압력과 전단력(미는 힘)을 구분할 수 있어, 물체가 미끄러지기 시작하는 순간을 감지할 수 있다. 각 피라미드 아래에 배치된 네 개의 전극에서 나오는 신호를 측정해, 센서는 실시간으로 완전한 3차원 힘 벡터를 수학적으로 재구성할 수 있다.
시연에서 연구팀은 이 센서를 로봇 그리퍼에 통합했다. 이 로봇은 얇은 종이 튜브와 같은 깨지기 쉬운 물체를 구기지 않고 잡을 수 있었다.
기존의 일반적인 힘 센서는 물체의 특성에 대한 사전 정보에 크게 의존하지만, 새 시스템은 미끄러짐 감지를 통해 실시간으로 적응하는 방식이라고 매체는 전했다. 이를 통해 다양한 물체에 대한 안전하고 정교한 파지(집기)가 가능해진다.
더 작은 스케일에서 연구팀은 마이크로 센서 배열을 활용해 금속 미세 구체의 질량, 기하학적 형상, 재료 밀도를 힘의 크기와 방향 분석만으로 식별할 수 있음을 보여줬다. 매체는 이를 통해 최소 침습 수술이나 마이크로 로보틱스처럼 기존 힘 센서가 너무 커서 사용할 수 없었던 분야에 응용 가능성이 열렸다고 전했다.
연구진은 로봇 공학을 넘어 의수·의족 등 보철 분야에서도 이번 기술이 상당한 파급 효과를 가질 수 있다고 밝혔다. 고도화된 인공 팔다리는 사용자가 촉감을 느끼도록 하는 촉각 피드백에 점점 더 의존하고 있으며, 매우 민감하고 소형화된 3차원 힘 센서는 물체와의 상호작용을 더욱 자연스럽게 만들어 제어, 안전성, 사용자 신뢰를 향상시킬 수 있을 것으로 예상된다.
논문의 제1저자인 구오린 윤(Guolin Yun) 중국과학기술대학교(University of Science and Technology of China) 교수는 케임브리지대학교에서 로열 소사이어티 뉴턴 인터내셔널 펠로(Former Royal Society Newton International Fellow)로 활동한 경력이 있다. 윤 교수는 “우리 접근법은 고해상도 3차원 촉각 센싱을 위해 부피가 큰 기계 구조나 복잡한 광학 시스템이 필요하지 않다는 것을 보여준다”고 말했다.
윤 교수는 “스마트 소재와 피부에서 영감을 받은 구조를 결합함으로써 인간의 촉각에 놀라울 정도로 근접한 성능을 달성했다”고 덧붙였다. 연구진은 향후 이 센서를 50마이크로미터 이하 수준까지 더 소형화해 인간 피부의 기계수용체 밀도에 근접하는 것을 목표로 하고 있다.
또한 향후 버전에서는 온도와 습도 센싱 기능을 통합해 완전한 다중 모달 인공 피부에 더 가까이 다가갈 수 있을 것으로 연구진은 보고 있다. 로봇이 공장 같은 통제된 환경을 벗어나 가정, 병원, 예측 불가능한 실제 환경으로 점차 진출함에 따라 이런 촉각 기술 발전의 중요성은 더욱 커지고 있다.
매체에 따르면 관련 기술에 대해서는 케임브리지대학교의 기술사업화 기관인 케임브리지 엔터프라이즈(Cambridge Enterprise)를 통해 특허가 출원됐다. 이번 연구는 로열 소사이어티(Royal Society), 헨리 로이스 연구소(Henry Royce Institute), 선진 연구·발명 기구(Advanced Research and Invention Agency, ARIA)의 지원을 받았으며, 하산 교수는 케임브리지의 처칠 칼리지(Churchill College) 펠로로 활동하고 있다.
논문은 ‘멀티스케일 구조를 갖는 소형 3차원 힘 센서(Multiscale-structured miniaturized 3D force sensors)’라는 제목으로 네이처 머티리얼스(Nature Materials)에 게재됐다.
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