▲ 달팽이관 기저막을 모방한 센서 기술 (사진출처=UNIST)

 

UNIST(울산과학기술원, 총장 이용훈) 고현협(에너지화학공학과)·김재준(전기전자공학과) 교수팀이 사람 동작, 촉감, 소리 등을 모두 인식해 기계에 전달할 수 있는 사람-기계 인터페이스를 개발했다.  

소리를 들을 수 있는 인공피부로 로봇을 조정하는 기술로, 로봇이 인공피부를 통해 물질의 촉감을 구별하며, 소리를 인식해 명령을 수행한다. 사람의 동작까지 그대로 따라 할 수 있어 메타버스, 아바타 로봇 시대에 꼭 맞는 기술로 주목받고 있다.

연구팀은 “버튼이나 키보드를 누르는 대신 정보를 직관적으로 기계에 전달하는 방식의 사람-기계 인터페이스”라며 “센서가 얇고 부착 가능해 다양한 가상현실 (VR), 증강현실 (AR), 사물 인터넷 (IoT) 기술에 쓸 수 있을 것”이라고 기대했다.
 

▲ 개발한 마찰 전기 센서의 주파수 선택성 (사진출처=UNIST)

이 인터페이스는 귀의 달팽이관 구조를 모방한 인공피부 센서를 기반으로 한다. 달팽이관 기저막은 두께와 너비, 단단함 정도가 부위별로 달라 소리를 주파수별로 구분해 받아들 수 있는 원리를 응용했다.  

센서의 이러한 특성 덕분에 사람의 동작처럼 느리게 반복되는 저주파 신호뿐만 아니라 빠르게 진동하는 소리, 촉감 같은 고주파 신호도 낮은 신호 대 잡음비로 기계에 모두 전달할 수 있다.
 

▲ 아바타 로봇 분야에 센서를 응용한 실험 (사진출처=UNIST)

연구팀은 이 센서를 활용한 아바타 로봇 손 제어 기술, 스마트 햅틱 장갑 같은 응용 기술을 선보였다. 소리로 아바타 로봇 손을 조종하는 시연에서는 주파수를 바꿔 로봇 손의 손동작을 조종할 수 있었다. 

또 사용자가 스마트 햅틱 장갑을 끼고 움직이면 아바타 로봇 손이 사용자의 손 움직임을 그대로 따라 했으며, 유리, 종이, 실크 등 8가지 다른 물질의 질감도 93% 정확도로 인식했다.
 

▲ 계층적 구조로 설계한 마찰 전기 센서 내부 모습 (사진출처=UNIST)

개발한 센서는 달팽이관 기저막처럼 두께, 다공성, 면적 등이 다른 단위 마찰전기 센서 여러 개가 연속적으로 붙어 있는 형태다. 또 센서 내부 구조를 특수하게 설계해 기존 평면 형태 센서보다 압력 민감도가 최대 8배 향상됐다. 

인식 주파수 대역폭도 45 ~ 9,000 Hz(헤르츠)로 사람의 심전도 신호 (0.5 ~ 300 Hz), 근전도 신호 (50 ~ 3,000 Hz), 심음도 신호 (20 ~ 20,000 Hz), 목소리 (100~400 Hz) 와 같은 생체 신호를 모두 인식할 수 있다. 외부 소음 환경에서도 머신 러닝을 통해 95% 정확도로 사람 목소리만 인식 가능해 소음 제거 기능을 탑재한 마이크로도 쓸 수 있다.
 

▲ 소음 환경에서의 마찰 전기 센서의 주파수 선택성 (사진출처=UNIST)

한편, 이번 연구 결과는 미국과학협회(AAAS)에서 발행하는 세계적인 권위지 사이언스 (Science) 의 자매지인 ‘사이언스 어드밴시스 (Science Advances)’에 3월 25일(현지 시각) 자로 게재됐으며, 한국연구재단 중견연구자지원사업, 이엠텍, 포스코 사이언스 펠로쉽의 지원을 받아 수행됐다. (논문명: Frequency-selective acoustic and haptic smart skin for dual-mode dynamic/static human-machine interface) 

글. 김효정 기자 needhj@naver.com | 사진 및 자료출처=울산과학기술원(UNIST)