인간처럼 외부 자극에 즉각 반응하는 전자 피부가 국내 연구팀에 의해 개발됐다.

POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 신소재공학과 정운룡 교수 연구팀이 UNIST(울산과학기술원, 총장 이용훈) 바이오메디컬공학과 김성필 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 사람의 피부처럼 바로 감각을 느낄 수 있는 전자 피부를 개발했다. 

▲ (왼쪽부터)정운룡 교수, 김태영 통합과정생, 김성필 UNIST 교수, 김재훈 통합과정생 (사진출처=POSTECH)

피부의 감각이 외부 환경이나 자극과 인체를 연결하는 통로 역할을 해주기 때문에 우리는 손의 감각으로 물체를 잡거나 발의 감각으로 안정적으로 걸어 다닐 수 있다. 이러한 감각 기능이 떨어지면 물건을 잡거나 사용하는 것은 물론, 화상을 입을 수준의 열과 같은 위험한 자극으로부터 몸을 보호하기 어려워진다. 

이 때문에 인공피부나 인간처럼 움직이는 ‘휴머노이드’ 로봇에 사용하기 위해 개발되는 전자 피부도 얼마나 외부 환경에 실시간으로 대응할 수 있느냐가 중요한 과제다.

기존의 전자 피부는 센서에 구성된 많은 수의 픽셀에서 오는 전기 신호를 하나씩 차례대로 측정한 뒤에야 감각을 느낄 수 있었다. 이 때문에 고밀도로 픽셀을 구성할 경우 모든 감각 픽셀을 측정하는 데 시간이 걸려, 자극에 바로 반응하면서 높은 공간 해상도를 갖는 전자 피부를 만들어내기는 어려웠다. 

생체의 피부 감각 수용체는 외부에서 자극이 있을 때 전압 형태의 스파이크 신호 다발을 발생시키고, 뇌에서 신호 패턴을 분석하여 외부 자극을 인지한다. 

연구팀은 이러한 생체 피부 감각계의 신호 발생과 인지 방법에 착안하여 외부 자극이 있을 때, 수용체 내 이온의 분포 변화로 전압이 발생했다가 사라지는 전기 신호인 스파이크 신호를 스스로 발생시키는 인공 감각 수용체를 개발, 모든 신호가 동시에 전송되고 실시간 분석이 가능한 전자 피부를 만들었다.

 

▲ 연구 관련 이미지 (사진출처=POSTECH)

생체 신호 자체에는 위치에 대한 정보가 없기 때문에, 동적인 외부 자극을 높은 해상도로 인지하기는 어렵다. 연구팀은 그러한 생체 신호의 한계를 극복하기 위해, 인공 스파이크 신호들을 특성화하여 각 신호에 위치 정보를 포함시킬 수 있음을 최초로 제시하였다. 

이 전자 피부에서는 위치·동작 추적 등의 공간 정보, 속도·동적 접촉 영역 등의 시간 정보가 분석된다. 전자 피부의 모든 인공 수용체가 한 쌍의 측정 전극만으로 신호를 전송하기 때문에, 기존의 전자 피부와 비교해 전극 구성이 매우 단순해졌다는 점이 특징이다.

이 기술을 실제 로봇에 적용한 결과, 인간처럼 외부 자극에 즉각 반응하는 기능을 확인할 수 있었다. 

공동교신저자인 정운룡 교수는 “우리 몸은 전해질의 유연한 성질로 인해 안정적으로 전기 신호를 만들어낸다”라며 “생체 감각 메커니즘을 이해하고, 이를 전해질 재료로 구현하는 방법을 더욱 발전시켜, 향후 전자 피부가 손상된 사람의 피부 감각을 되살리고, 인간과 교감 능력이 있는 로봇에 사용될 것을 기대한다”고 말했다. 

공동교신저자인 UNIST 김성필 교수는 “외부 자극 정보를 스파이크 신호로 변환해서 전달하는 것은 실제 인간 신경계의 정보 전달 방식과 매우 흡사한 혁신적인 아이디어”라며 “이러한 스파이크 형태의 정보 코딩 원리를 이용하여 새로운 인공지능 모델을 개발하게 되면 로봇 촉각 지능을 한 단계 더 발전시킬 수 있고 뉴로모픽 칩과 같은 차세대 반도체 기술에도 효과적으로 적용할 수 있을 것”이라고 전망했다. 

한편, 연구 결과는 국제 학술지 ‘사이언스 로보틱스(Science Robotics)’에 최근 게재되었으며, 본 연구는 한국연구재단 기초연구실지원사업과 미래뇌융합기술개발사업의 지원을 받아 이뤄졌다. 

글. 김효정 기자 needhj@naver.com | 사진 및 자료출처=포항공과대학교(POSTECH)