우리 학교 바이오및뇌공학과 박성준 교수와 고려대학교 천성우 교수, 한양대학교 김종석 박사 공동 연구팀이 신개념 인공 피부(E-skin) 및 촉각 신경 신호 모사 시스템(neural tactile system) 개발을 통해 더욱 정확하고 현실감 있는 인공 감각을 구현하는데 성공했다. 기계, 전자 시스템에 인간의 촉각 인지 메커니즘을 그대로 구현해 낸 인터페이스 제작이 이 연구의 핵심이다.

인공 감각 시스템이란
    인공 감각 시스템은 로봇형 의수 및 의족, 화상 환자를 위한 인공 피부 등에 사용될 수 있다. 현재 개발되고 있는 로봇 의수는 움직임 정도를 구현하는 데 그치지만, 이에 인공 피부를 사용한다면 의수에 적용되는 감각을 사용자가 직접 느끼게 만들 수 있다. 가상현실 및 메타버스 분야의 측면에서는, 멀리 떨어져 있는 곳의 사람들과 악수를 하고, 가상 공간에서 사물을 실제로 만지는 느낌이 들게 하는 것도 가능해진다.

인간의 촉각 수용기
    인간은 감각 신경의 일종인 다양한 유형의 촉각 수용기를 통해 촉각을 감지한다. 예를 들어, 늦은 순응 기계적 수용기(SA mechanoreceptor)는 피부 내의 압력을 감지하고, 빠른 순응 기계적 수용기(FA mechanoreceptor)는 진동을 감지한다. 이러한 수용기들은 압력의 세기와 진동의 빠르기 등을 특정한 신경 신호의 패턴으로 변환해 우리가 촉각을 느끼게 하고, 사물을 인식하게 한다. 지금까지는 각 수용기가 전달하는 신경 신호 패턴의 법칙들을 정확히 알지 못하였다. 따라서 과학자들은 인공 피부에서 만들어진 신호를 인간에게 정확하게 전달하기 힘들다고 판단하고 있었다. 또한, 각 수용기의 역할을 인공 피부에 각각 구현하는 일도 어려운 일 중 하나였다.

복합 촉각 센서와 신호 변환 시스템 사용
    이 연구에서는 나노 입자 기반의 복합 촉각 센서를 제작하고, 이를 신호 변환 시스템과 연결하여 문제를 해결하였다. 우선, 압전(piezoelectric) 나노 입자와 압전 저항성(piezoresistve) 나노 입자를 폴리머에 섞는 방법을 통해, SA/FA 수용기가 모두 구현 가능한 전자 피부 센서를 제작했다. 또한, 센서가 생성한 각 압력 및 진동에 해당하는 전위를 실제 감각 신호와 같은 형태의 패턴으로 변환하는 회로 시스템을 만들었다. 이때, 실제 생체 내에서 일어나는 일을 최대한 모사하기 위해, 감각 신경 자체를 추출한 뒤 다양한 감각에 의한 신호를 측정해 함수화했다. 연구팀이 해당 시스템을 동물 모델에 적용해본 결과, 인공 감각 시스템에서 발생한 신호가 생체 내 신경 세포에서 왜곡 없이 전달되며, 근육 반사 작용 등의 생체 감각 관련 현상들을 구현할 수 있음을 확인했다. 나아가, 연구팀은 인공 피부를 지문 구조로 만들어 인공 손가락을 만들어 기능을 확인하였다. 이를 20여 종의 다양한 직물에 긁어 보고, 딥 러닝 기법을 통해 직물의 질감을 99% 이상 분류할 수 있음을 확인했으며, 학습된 신호를 기반으로 인간과 동일하거나 보다 우수하게 직물의 종류를 예측할 수 있음을 확인했다. 박성준 교수는, 이 연구에 대해 실제 신경 신호의 패턴 학습을 바탕으로 한 인간 모사형 감각 시스템을 세계 최초로 구현했다는 데 의의가 있다며 향후 더욱 현실적인 감각 구현을 위한 인터페이스 시스템을 지속 개발할 계획이라 전했다. 나아가 해당 논문에서 사용한 신호 모사 기법이 인체 내 다양한 종류의 타 감각 시스템과 결합한다면, 더욱 큰 시너지를 낼 것이라며 이를 통해 인간의 감각 장애를 극복하고, 미래를 위한 가상 시스템을 구현하는 것이 또 다른 목표라 밝혔다.