GIST, 사람 피부처럼 '촉감' 느끼는 스마트 소재 개발

유해물질 자율 격리 실증…웨어러블 로봇·전자의수 활용

'촉각 체화형 소프트 로봇' 작동 원리. 자기장으로 정렬된 나노와이어가 복잡한 연산 없이 관절의 움직임과 외부 접촉을 각각 구분해 인식하며, 이를 바탕으로 로봇이 스스로 동작을 제어한다.(그래픽=GIST 제공) [email protected]

[전남광주=뉴시스]이창우 기자 = 광주과학기술원(GIST)이 사람 피부처럼 접촉과 굽힘을 구분해 스스로 판단하고 움직일 수 있는 스마트 소재를 개발하며 차세대 소프트 로봇 기술 구현에 한 걸음 다가섰다.

4일 GIST에 따르면 신소재공학과 하민정 교수 연구팀은 소재 자체가 복합적인 힘을 방향별로 구분할 수 있는 기술을 개발하고 이를 적용한 '촉각 체화형(Perception-Embodied) 소프트 로봇'을 구현했다.

이 로봇은 여러 종류의 센서와 복잡한 데이터 처리 없이도 접촉(압력)과 굽힘(변형)처럼 동시에 발생하는 힘을 실시간으로 구분하고, 이를 바탕으로 로봇이 다음 동작을 스스로 결정하는 '폐루프 피드백(Closed-loop feedback)' 기능을 구현한 것이 특징이다.

기존 소프트 로봇은 관절이 휘어질 때 발생하는 신호와 외부 물체가 닿을 때 생기는 신호가 서로 섞이는 간섭 현상 때문에 다수의 센서와 복잡한 연산이 필요했다.

이 과정에서 로봇의 유연성과 실시간 제어 성능이 떨어지는 한계가 있었다.

연구팀은 이러한 한계 극복을 위해 자기장을 이용해 나노와이어를 원하는 방향으로 정렬하는 기술을 개발했다.

힘이나 압력을 받으면 전기 신호를 생성하는 티탄산바륨(BaTiO₃) 나노와이어에 자기장에 반응하는 산화철(Fe₃O₄) 나노입자를 입힌 뒤 형상기억고분자 내부에 고정해 특정 방향의 힘에만 선택적으로 반응하도록 설계했다.

실험 결과 수직 방향으로 정렬한 나노와이어는 외부 접촉에 따른 압력을, 수평 방향으로 정렬한 구조는 굽힘 힘을 각각 선택적으로 감지했다.

별도의 센서나 복잡한 신호 처리 없이 소재 구조만으로 접촉과 굽힘 신호를 물리적으로 분리하는 데 성공한 것이다.

(왼쪽부터) GIST 신소재공학과 김유빈 박사과정생, 하민정 교수 (사진=GIST 제공) [email protected]

연구팀은 서로 다른 방향으로 정렬한 나노와이어를 직각으로 배치해 x·y·z축에서 동시에 발생하는 3차원 힘까지 구분하는 기술도 구현했다.

이를 적용한 촉각 체화형 소프트 로봇은 스스로의 움직임에서 발생한 굽힘 신호와 외부 물체 접촉 신호를 구분하며 유해 화학물질을 자율적으로 격리하는 작업까지 수행했다.

특히 외부 카메라나 별도의 계산 시스템에 의존하지 않고 로봇 내부의 촉각 정보만으로 작업을 수행해 차세대 자율형 소프트 로봇의 가능성을 입증했다는 평가를 받고 있다.

하민정 교수는 "이번 연구는 다종의 센서와 대규모 연산에 의존하던 기존 로봇 감각 시스템과 달리, 소재 자체가 복합적인 힘을 구분하도록 설계했다는 점에서 의미가 있다"며 "반복적인 변형에도 안정적으로 작동하고, 시각 정보 확보가 어려운 환경에서도 높은 정확도로 촉각을 인식할 수 있어 실시간 자율 로봇 제어 기술 발전에 기여할 것으로 기대한다"고 말했다.

이번 연구는 GIST 신소재공학과 하민정 교수가 지도하고 김유빈 박사과정생이 제1저자로 참여했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단 글로벌영커넥트 사업의 지원을 받아 수행했으며, 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)에 온라인에 7월18일 게재됐다.


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