시각, 청각 장애인은 세상과 소통하는 데에 항상 어려움을 겪어왔다. 특히 정보를 입력하거나 수용하는 과정이 일반인에 비해 어려웠는데, 이를 극복하기 위해 개발된 것이 촉각 교감 패드다. 촉각 교감 패드는 돌기를 이용해 손가락 끝으로 점자 정보를 수용하는 기기다. 

우리 학교 바이오및뇌공학과 조영호 교수 연구팀이 입·출력장치가 통합된 소형 양방향 촉각 교감 패드를 개발하는 데 성공했다. 이번 연구는 지난 3월 센서와 구동기 분야 전문학술지 <센서와 액추에이터(Sensors and Actuators A : Physical)> 18일 자 온라인 판에 게재되었다.

크고 두꺼웠던 기존의 촉각 교감 패드

기존 촉각 교감 패드는 사람이 명령하는 입력장치와 정보를 인식하는 출력장치가 분리되어 있었다. 손끝으로 패드 위의 점자를 인식하고, 패드와 분리된 버튼을 눌러 점자가 나타나는 속도 등을 조절하는 형태였다. 기존 패드는 점자 정보를 출력할 때 돌기로 사람 손가락 끝에 있는 압력 수용기를 자극하는 방식이었다. 사람이 점자를 정확히 인식하기 위해서는 돌기가 2mm 이상 솟아나야 했다. 2mm 이상 돌기를 움직이기 위해 패드는 크고 두꺼울 수밖에 없었다.

압각과 진동감각 동시 자극으로 인식률 높이면 소형화 가능해

조 교수팀은 손끝에 압력 자극을 받아들이는 수용기(Receptor) 이외에도 다양한 종류의 수용기가 있다는 점에 주목했다. 사람의 손끝에는 온도를 느끼는 수용기, 진동을 느끼는 수용기 등 다양한 수용기가 있다. 조 교수팀은 돌기가 튀어나오는 동시에 진동하는 구동기를 제작해 압력을 느끼는 수용기와 진동을 느끼는 수용기를 동시에 자극했다. 이 방법을 이용하면 돌기를 0.1mm만 나오게 해도 사람이 진동 때문에 충분히 인식할 수 있다. 따라서 기존의 10분의 1 수준으로 패드를 소형화할 수 있다. 

입력장치 층과 출력장치 층을 포개 하나의 통합 패드로 제작

한편, 조 교수팀은 기존에는 분리되어 있던 입·출력 장치를 하나로 통합했다. 사람이 손가락을 대고 점자를 읽는 패드 자체를 스위치처럼 명령을 내릴 수 있는 입력 장치로 만든 것이다. 조 교수팀이 개발한 패드는 세 층으로 이루어져 있다. 첫 번째 층은 슬라이더 층으로, 사람이 직접 손가락으로 접촉하는 면이다. 이 면은 상하 좌우가 용수철로 연결되어 손가락에 힘을 싣는 대로 움직이며 점자 돌기가 나오는 부분에는 구멍이 뚫려있다. 슬라이더 층 바로 아래에는 전극으로 이루어진 전극 층이 있다. 전극 층 아래에 있는 세 번째 층은 구동기 층으로, 튀어나오는 동시에 진동할 수 있는 핀이 배열되어 있다. 

정전 용량의 변화로 사람의 의도를 파악한다

두 번째 층의 전극은 사분면으로 나누어져 있고, 각 면의 정전 용량(Capacitance)이 다르다. 정전 용량은 마주 보는 도체 판 사이에 전하를 축적할 수 있는 능력이다. 정전 용량은 도체 판 사이의 거리와 반비례 관계로, 거리가 좁아질수록 정전 용량은 커진다. 사람이 슬라이더 층을 왼쪽으로 누르면 왼쪽 슬라이더 층과 전극 층 사이의 거리가 좁아지고, 사분면 중 왼쪽에 해당하는 두 면의 정전 용량이 커진다. 따라서 슬라이더 층과 전극 층 사이의 전하량에 변화가 생긴다. 이 변화를 통해 구동기 층에서 점자가 출력되는 방식을 조절한다. 왼쪽을 누르면 점자가 왼쪽으로 지나가고, 오른쪽을 누르면 오른쪽으로 지나가고, 아래로 누르면 빠르게 지나가고, 손을 떼면 멈추는 등의 다양한 조작이 가능하다.

조 교수팀의 촉감 교감 패드는 시청각 장애인을 위한 점자 디스플레이와 인지형 전자 기기 개발에 응용할 수 있다.

이번 연구는 사람의 입장, 특히 시청각 장애인의 입장에서 패드를 만들었다는 점에서 의미가 크다. 기존의 넓은 패드는 왼쪽에서 오른쪽으로 손가락을 이용해 훑어야 했고 밑에 따로 부착되어있는 버튼을 눌러야 입력할 수 있었다. 그러나 이는 시각장애인이 아닌 일반인의 시각에서나 유용하다. 시각장애인에게는 손끝이 세상과 교감할 수 있는 넓이의 전부이므로 패드는 넓을 필요가 없다는 것이 조 교수의 설명이다. 조 교수팀이 개발한 촉각 교감 패드는 28mm×35mm로 우표 크기에 불과하다. 조 교수는 “사람을 위한 기술 개발이 중요하기 때문에 역지사지의 생각으로 만들어야 한다”라고 사람 중심 기술 개발의 중요성을 역설했다.