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한미 연구팀, 사람 피부처럼 온도와 힘 느끼는 인공피부 첫 개발

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한미 연구팀, 사람 피부처럼 온도와 힘 느끼는 인공피부 첫 개발

2020.11.20 08:28
사이언스지 포스텍-스탠퍼드대 공동 연구 소개
정운룡 포스텍 신소재공학과 교수(왼쪽)와 유인상 박사후연구원(오른쪽), 제난 바오 미국 스탠퍼드대 교수 공동연구팀은 온도와 힘을 동시에 측정할 수 있는 다기능성 이온 전자피부를 세계 처음으로 개발했다
정운룡 포스텍 신소재공학과 교수(왼쪽)와 유인상 박사후연구원(오른쪽), 제난 바오 미국 스탠퍼드대 교수 공동연구팀은 온도와 힘을 동시에 측정할 수 있는 다기능성 이온 전자피부를 세계 처음으로 개발했다. 포스텍 제공

인간의 피부를 전자장치로 모사하는 ‘전자피부’의 궁극적 목표는 얇으면서도 다양한 감각을 느낄 수 있는 피부를 그대로 따라하는 것이다. 한미 공동 연구팀이 온도와 힘을 동시에 측정하면서도 서로 영향을 주지 않는 이온 전자피부를 처음으로 개발했다. 여기에 일본의 한국인 연구팀도 피부 감각에 영향을 전혀 주지 않는 얇은 전자피부를 개발하면서 전자피부가 인간의 피부에 한층 가까워졌다.

 

정운룡 포스텍 신소재공학과 교수와 제난 바오 미국 스탠퍼드대 교수 공동연구팀은 하나의 구조만으로 온도와 힘 두가지를 서로의 간섭 없이 측정할 수 있는 다기능성 이온 전자피부를 세계 처음으로 개발했다고 이달 20일 밝혔다. 연구결과는 국제학술지 ‘사이언스’ 20일자에 게재됐다.

 

인간 피부 속에는 꼬집거나 미는 것을 느끼는 동시에 뜨겁거나 차가운 것도 감지하는 촉각 수용체가 있다. 사람은 수용체를 통해 기계 자극과 온도 자극을 구분해 느낀다. 하지만 지금까지 발표된 전자 피부는 온도를 측정하면서 피부에 힘이 가해지면 온도 측정에 오류가 생기는 문제가 있었다. 예를 들면 온도를 측정하는 중 센서를 누르면 온도가 실제보다 훨씬 높게 측정되는 식이었다.

 

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

연구팀은 인간 피부 속 촉각 수용체가 전해질로 가득 차 있어 변형은 자유롭지만 망가지지 않는다는 점에 주목했다. 전해질을 담은 이온 전도체가 주파수에 따라 측정할 수 있는 성질이 달라지는 점을 이용해 촉각과 온도를 동시에 측정하는 수용체를 개발했다.

 

연구팀이 개발한 수용체는 전하가 물체에서 빠져나가는 시간인 ‘전하 완화 시간’을 온도 측정용으로, 정전용량을 움직임 측정용으로 활용한다. 전극과 전해질, 전극으로 구성된 간단한 구조여서 생산에도 유리하고 자유자재로 늘리거나 변형하는 것도 가능하다. 연구 1저자인 유인상 포스텍 박사후연구원은 “이 전자피부가 온도나 움직임을 감지하는 원리는 실제 인간 피부가 촉각을 인지하는 원리 중 하나일 것으로 추정된다”고 말했다.

 

정 교수는 “이번 연구는 전해질을 이용한 전자피부 연구의 포문을 여는 첫 단계”라며 “인간의 촉각 수용체와 신경 전달을 모사한 인공 전자피부를 만들어 질병이나 사고로 인해 피부나 장기의 촉각 기능을 잃은 환자들의 촉각을 복원하는데 도움이 되는 게 목표”라고 말했다.

 

이성훈 도쿄대 전기공학 및 정보시스템부 교수 연구팀이 개발한 초박형 압력센서의 모습이다. 도쿄대 제공
이성훈 도쿄대 전기공학 및 정보시스템부 교수 연구팀이 개발한 초박형 압력센서의 모습이다. 도쿄대 제공

이성훈 도쿄대 전기공학 및 정보시스템부 교수 연구팀은 피부 감각에 전혀 영향을 주지 않는 부착형 초박형 압력센서를 개발해 같은 날 사이언스에 발표했다.

 

손은 인간의 기본 도구다. 손가락 끝에 센서를 장착하는 것은 인간 활동을 기록하는 데 가장 유용하다. 하지만 기존 센서는 손가락의 감각에 영향을 줘 인간이 느끼는 진정한 감각을 측정하기엔 어려움이 있었다. 이 교수는 “손가락 끝은 극도로 민감하기 때문에 수백만 분의 1m 두께의 초박형이라도 감각에 영향을 미치기 충분하다”며 “때문에 센서가 매우 얇아야 하는데 깨지기 쉽고 문지르기만 해도 손상되기 쉽다”고 말했다.

 

연구팀은 전기방사 공정을 통해 실이 얼기설기 엮인 것처럼 얇은 층 2개로 이뤄진 센서를 개발했다. 한 층은 200~400나노미터(nm·10억분의 1m) 두께의 폴리우레탄으로 구성됐고 다른 층은 센서의 전자 기능을 형성하기 위한 금 회로로 구성됐다.

 

센서는 압력을 측정하는 본연의 기능을 그대로 수행했을 뿐 아니라 대기압에 해당하는 약 100킬로파스칼(kPa)의 힘으로 30번가량 문질러도 성능이 전혀 떨어지지 않았다. 사람의 인지 능력도 전혀 영향을 주지 않는 것으로 나타났다. 이 교수는 “18명을 대상으로 실험한 결과 센서 부착 여부가 전혀 인지 감도에 영향을 미치지 않는다는 것을 확인했다”고 말했다.

 

이 교수는 “장인의 섬세한 공예품을 만드는 기술이나 고도로 숙련된 외과의사의 작업을 디지털 방식으로 보관하는 게 목표”라며 “이러한 과정을 기록할 수 있다면 기계에게 작업을 학습시키는 데 유용할 것”이라고 말했다.

 

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