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깃털 닿는 느낌도 생생히! 피부 닮은 정교한 센서 개발

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2018년 02월 27일 13:07 프린트하기

한국연구재단은 전경용, 한창수 고려대 기계공학과 교수팀이 인체의 감각기관을 모사해 전원 없이 작동하는 정밀한 인공피부센서를 개발했다고 26일 밝혔다.

 

인공피부센서는 인체의 피부가 지닌 감각 기능, 즉 압력이나 질감, 터치감 등을 정확하고 빠르게 감지하는 부품이다. 먼 미래의 로봇 인공피부는 물론, 가전이나 자동차 등의 사물인터넷(IoT) 센서와 의료진단기기에 활용될 수 있다. 기존에는 반도체를 이용해 전자부품 형태로 만들었는데, 전기가 많이 들고 감도가 낮다는 한계가 있었다.

 

실제 피부의 감각수용체들(A)와 전경용, 한창수 고려대 교수팀이 개발한 인공피부센서(B). A에서 MD는 메르켈 디스크, RC는 루피니 실린더로 이들은 질감 등 지속적인 감각을 느낀다. MC는 마이스터 소체이고 PC는 파시니 소체로 이들은 깃털이 닿는 느낌처럼 순간적인 감각을 느낀다. B에서
실제 피부의 감각수용체(A)와 전경용, 한창수 고려대 교수팀이 개발한 인공피부센서(B). 실제 피부(A)에서 MD는 메르켈 원반(촉각원반), RC는 루피니 소체로 이들은 질감 등 지속적인 감각을 느낀다. MC는 마이스터 소체이고 PC는 파시니 소체로 이들은 깃털이 닿는 느낌처럼 순간적인 감각을 느낀다. B에서 'Fast adapting'이 순간적인 적응으로 압전필름이 담당하고, 'slow adapting'은 지속적인 감각으로 이온채널이 담당한다. 사진제공 한국연구재단-고려대

 

전 교수팀은 피부 감각수용체가 에너지를 거의 들이지 않고도 감각을 정확하게 감지한다는 사실에 주목했다. 피부는 크게 두 가지 자극을 동시에 느길 수 있다. 서로 다른 종류의 수용체를 지니고 있다는 뜻이다. 하나는 자극이 주어진 순간과 사라지는 순간에만 느낄 수 있는 자극으로, 파시니 소체와 마이스너 소체가 담당한다. 피부에 가벼운 깃털이나 머리카락이 닿은 경우가 대표적이다. 반면 피부에 닿아 있는 내내 느낄 수 있는 자극도 있다. 거칠거나 단단한 느낌 등 질감이나, 물체를 쥔 느낌이 대표적이다. 피부의 메르켈 원반(촉각원반)과 루피니 소체가 담당한다.

 

이에 착안해, 연구팀은 두 가지 센서를 동시에 지닌 인공피부센서를 개발했다. 먼저 세포막에 존재하는 튜브 모양의 단백질인 ‘이온채널’의 구조를 응용한 센서를 개발했다. 이온채널은 튜브 안쪽 공간을 이용해 물질(이온)을 통과시키는 단백질로, 물질이 통과할 때 일종의 전기 신호를 발생시켜 신경을 통해 전달해 감각을 느끼게 한다. 이 과정은 생화학 반응을 이용하기 때문에 외부에서 따로 전기를 공급하지 않아도 빠르게 이뤄질 수 있다. 질감을 느끼거나 물체를 지속적으로 쥔 느낌을 감지하는 데 이 감각이 이용된다.

 

이어, 연구팀은 압력을 받으면 전기를 생산하는 압전필름을 이용해, 피부에 깃털이 닿는 느낌처럼 순간적으로 감지되는 자극을 포착하는 데에도 성공했다. 압력을 받으면 필름 내부의 이온 분포가 변하며 전기가 생성되는데, 이 신호를 감지하는 게 원리다. 마지막으로 연구팀은 이온채널과 압전필름을 결합해, 진짜 피부처럼 지속시간이 다른 두 가지 감각을 동시에 느끼는 센서를 완성했다.

 

연구팀은 이 센서로 외부 전원 공급 없이 맥박을 측정하는 데 성공했다. 또 압력과 진동을 동시에 가했을 때 이들을 구분하거나, 점자 신호를 감지하는 데에도 성공했다.

 

연구 총 책임자인 한 교수는 “혈압 등 생체신호를 측정하는 것은 물론, 로봇의 피부 성능을 개선할 수 있다”며 “사물인터넷(IoT)과 연계해 모니터링 체계를 구축하는 등 다양한 산업에 응용할 수 있다”고 말했다.

 

연구 결과는 재료 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스’ 2월 9일자에 발표됐다.

 

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