[지금은 과학-영상] 인공피부가 소리까지 듣는다

[아이뉴스24 정종오 기자] 촉감과 동작은 물론 소리까지 들을 수 있는 인공피부가 개발됐다. 소리를 들을 수 있는 인공피부로 로봇을 조종하는 인터페이스 기술이다. 로봇이 인공피부를 통해 물질의 촉감을 구별하고 소리를 인식해 명령을 수행할 수 있게 됐다. 사람의 동작까지 그대로 따라 할 수 있다. 메타버스, 아바타 로봇 시대에 필요한 기술로 주목받고 있다.

기계-사람 인터페이스(Human-Machine Interface, HMI)의 개발은 사람과 기계를 이어주는 데에 가장 큰 역할을 한다. 현재 존재하는 웨어러블 HMI 기기들의 경우 낮은 주파수(1~10Hz)의 터치 혹은 손동작을 이용해 기계에 간단한 신호들을 전달하는 수준에 머물러 있다.

최근에는 로보틱스, 가상현실(VR), 증강현실(AR), 사물인터넷(IoT)이 발달하면서 고 주파수 대역의 신호 감지를 이용해 사람에게서 다양한 감각 혹은 생체 신호를 직관적이고 정확하게 전달하는 수요가 높아지고 있다. 고주파수 대역의 신호를 정확히 인식해 HMI에 적용하기 위해서는 신호-잡음비가 높은 동적 센서가 필요하다. 넓고 선형적 신호 인식 범위와 넓은 주파수 대역을 커버할 수 있어야 한다.

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

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)에 쓸 수 있을 것”이라고 기대했다.

이번 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 신호뿐 아니라 빠르게 진동하는 소리, 촉감 같은 고주파 신호도 낮은 신호 대 잡음비로 기계에 모두 전달할 수 있다.

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 이용자가 스마트 햅틱 장갑을 끼고 움직이면 아바타 로봇 손이 이용자의 손 움직임을 그대로 따라 했다. 유리, 종이, 실크 등 8가지 다른 물질의 질감도 93% 정확도로 인식했다.

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

인식 주파수 대역폭도 45~9천Hz(헤르츠)로 사람의 심전도 신호(0.5~300Hz), 근전도 신호(50~ 3천Hz), 심음도 신호(20~2만Hz), 목소리(100~400Hz)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.

이번 연구(논문명: Frequency-selective acoustic and haptic smart skin for dual-mode dynamic/static human-machine interface)는 사이언스 어드밴시스(Science Advances) 3월 25일(현지 시각) 자로 실렸다.

고현협 교수는 “이번에 개발된 정적(움직임), 동적(촉각·소리) 신호 검출이 가능한 마찰 전기 센서는 간단한 필름 제작 형태로 센서를 제작할 수 있다”며 “주파수 선택성이 뛰어나며 넓은 주파수 감지 범위, 고민감도를 지녀 다양한 분야에 응용 가능할 것”이라고 말했다.