신소재공학과 스티브 박 교수와 기계공학과 김정 교수 공동연구팀이 3차원 표면에 코팅 가능하며 자극을 구분할 수 있는 로봇 피부를 개발했다. 이번 연구는 지난 8월 28일 국제학술지 <에이씨에스 나노(ACS Nano)> 표지논문으로 게재됐다.

인간의 감각 가진 로봇 필요성 대두돼

 최근 4차 산업혁명 시대로 접어들며 사람이 담당했던 많은 업무를 로봇이 대체하고 있다. 하지만, 기존의 로봇은 인간과 같이 외부 자극에 대한 판단이 필요한 작업을 수행하지 못한다는 어려움이 있다. 예를 들어, 달걀과 같이 강도가 약한 물체를 쥘 때 우리는 손끝에 느껴지는 감각과 시각적 정보를 통해 물체를 약하게 쥐어야 할 것을 예측한다. 하지만 촉각 등 감각을 받아들이는 센서 개발의 미진해 로봇의 경우 힘을 직접 설정해 주지 않으면 강도가 약한 물체를 변형시킬 가능성이 존재한다. 이런 한계를 극복하기 위해 인간과 같이 자극을 받아들이는 센서의 연구가 활발하게 이루어지고 있다.

복잡한 구조에 적용 힘든 기존 기술

 현재는 완성된 로봇 피부를 대상에 붙이는 형식을 사용하지만 복잡한 모양의 물건에는 로봇 피부를 응용하기 어렵다는 한계가 있다. 또한, 복잡하고 어려운 공정과 높은 단가로 인해 넓은 면적을 코팅할 때 큰 비용이 발생해 상용화가 힘들었다. 더욱이 기존 로봇 피부는 열이나 압력, 마찰 등과 같은 자극을 구분하지 못하며, 이러한 자극들이 어느 방향에서 가해졌는지 구별하지 못했다.

미셀을 통해 만든 다공성 로봇 피부  

 연구팀은 이러한 단점들을 극복하는 로봇 피부를 개발했으며, 로봇 피부를 제작한 방법은 다음과 같다. 먼저 다중벽 탄소나노튜브(Multi Wall Carbon Nano Tube, MWCNT)를 물에 분산시킨 용액과 폴리다이메틸실록세인(Polydimethylsiloxane), 헥세인(Hexane)을 섞은 용액을 제작한다. 그 후, 다중벽 탄소나노튜브 용액과 폴리다이메틸실록세인 용액에 계면활성제를 넣고 음파 처리*(Sonication) 과정을 통해 혼합한다. 이때, 다중벽 탄소나노튜브 용액은 수용액이고 폴리다이메틸실록세인 용액은 용매를 기름으로 사용하기 때문에 서로 섞이지 않지만, 계면활성제에 의해 미셀**(Micelle)을 형성하게 된다. 이후 섞은 용액을 열처리하여 폴리다이메틸실록세인을 응고시키며, 용액 온도를 120℃까지 가열하면 물이 증발하면서 다공성 구조의 로봇 피부가 형성된다.

저항 따른 신호 변화로 자극 구분해

 위의 공정을 통해 제작된 로봇 피부는 외부에서 가해지는 힘의 종류에 따라 그 특성이 변화한다. 로봇 피부에 압력을 가할 경우에는 전기적 저항의 변화가 없어 압력에 대한 신호 변화는 발생하지 않는다. 반면, 피부에 인장력을 가하면 인장력이 가해진 방향에 따라 피부 속의 기공이 미세하게 파열되면서 저항이 증가하고 신호에 변화가 생긴다. 파열된 기공들은 힘을 가해지지 않으면 다시 닫히고, 저항이 원래대로 돌아온다. 이를 통해 개발된 로봇 피부는 압력과 마찰을 구분할 수 있다.

 이번 연구에서 개발한 로봇 피부는 용액 공정을 활용하여 저비용으로 대량생산이 가능하며, 용액을 복잡한 3차원 구조에 뿌리는 것만으로도 로봇 피부를 형성시킬 수 있다. 또한, 기존에 없던 자극을 구분할 수 있는 특성을 가지고 있어 로봇 피부의 상용화를 앞당길 것으로 기대된다.

 연구에 제1 저자로 참여한 오진원 석사 과정은 “로봇 피부가 상용화가 되지 못했던 가장 큰 이유는 외부 자극의 종류를 구분할 수 없었기 때문이다”며, "추후 연구를 통해 온도나 압력 같은 단일 자극에 반응하는 센서들을 개발하고 이를 종합하여 인간에 가깝게 촉각을 인지할 수 있는 로봇 피부를 만들 수 있을 것이다”고 의의를 밝혔다.

음파 처리*

10~20kHz의 음파를 사용하여 세포나 고분자 등을 파괴하는 방법.

미셀**

분자나 이온이 친수기를 바깥으로, 친유기를 안으로 향해 모인 구상의 콜로이드 입자.