[요약]미국 스탠퍼드대 연구진이 손가락을 모방한 정밀 센서를 만들었다. 연구진이 이 센서를 장갑에 끼운 뒤 로봇 팔에 끼우자 로봇은 계란을 깨지 않고 옮기거나 딸기 표면을 망가트리지 않고 건드리는데 성공했다. 이 기술은 향후 정밀 의료 기술을 비롯해 로봇이 물체를 안전하게 들어올릴 수 있는 다양한 분야에 활용될 수 있다. (2018.11)
인간에게 부여된 ‘손재주’를 로봇도 가질 수 있을까. 미국 스탠퍼드대 연구진이 인간의 손재주를 로봇에게 전달할 수 있는 센서가 부착된 전자 장갑을 개발했다.
11월 21일 국제학술지 ‘사이언스 로보틱스’에 발표된 논문에 따르면 화학공학자인 제난 바오와 그의 연구진은 로봇의 손이 연약한 딸기를 잡고 탁구공이 찌그러지지 않게 잡을 수 있는 센서를 개발했다. 바오는 “이 기술은 인간의 피부가 할 수 있는 감지 능력을 언젠가 로봇에게 부여하는데 활용될 수 있다”고 말했다. 바오는 장갑의 손가락 끝에 있는 센서가 강도와 압력의 방향을 동시에 측정한다고 말한다. 이 두가지는 손재주를 얻기 위해 반드시 필요한 요인이다. 이 장갑을 착용한 로봇은 엄지 손가락과 집게손가락 사이에 알을 집고 그 알이 깨지거나, 미끄러지지 않게 들고 있을 수 있다.
전기장갑은 놀라운 감각을 갖기 위해 인간의 피부가 작동하는 방식을 모방했다. 인간의 피부 바깥쪽은 압력이나 열, 자극을 감지할 수 있는 센서로 가득 차 있다. 인간의 손가락과 손바닥은 특히 촉감 센서가 풍부하다. 이 센서들은 피부 아래에 존재하는 ‘스피노섬(spinosum)’과 연결되어 있는데 이곳은 울퉁불퉁하며 작은 산과 계곡과 같은 모양을 갖고 있다. 이 울퉁불퉁함이 중요하다. 손가락이 물체에 닿으면 피부 외피가 스피노섬과 가까워진다. 가벼운 접촉은 언덕 높은 곳에 가까운 센서가 느낄 수 있다. 더 강한 압력은 외피를 스피노섬의 계곡까지 닿게 하면서 강렬한 촉각을 유발한다.
그러나 압력의 강도를 측정하는 것은 스피노섬이 하는 일의 일부일 뿐이다. 이 울퉁불퉁한 하부 층은 압력의 방향과 ‘전단력(shear force)’을 밝히는데 도움을 준다. 예를 들어 손가락이 ‘북쪽’을 누르면 미세한 언덕의 남쪽에 강한 신호가 만들어진다. 전단력을 감지하는 능력은 우리가 엄지와 집게손가락 사이에 달걀을 부드러우면서도 꽉 쥐게 하는데 도움을 준다.
박사후연구원인 클레멘타인 부트리와 석사과정 학생인 마크 네그레는 인간 메커니즘을 모방한 전자 센서 개발을 이끌었다. 로봇 장갑 손가락 끝에 달린 센서는 3개의 유연한 ‘층(layer)’으로 구성돼 있다. 맨 위와 맨 아래 있는 층은 전기적으로 작동한다. 연구진은 마치 필드에 줄을 서듯 마주보는 두개의 표면 사이에 전기선 그리드를 놓고 이 행을 서로 수직으로 돌려서 밀도 높은 작은 센서 픽셀을 만들었다. 또한 아래 층을 마치 스피노섬처럼 울퉁불퉁하게 만들었다. 가운데 있는 고무 절연층은 간단히 전극의 상부와 하부를 분리하는 기능을 갖고 있다. 하지만 이 분리가 상당히 중요하다. 왜냐하면 닿지 않고 밀접하게 놓여있는 전극은 전기 에너지를 저장할 수 있기 때문이다. 로봇 손가락이 아래를 눌러서 위에 있는 층이 아래 층과 가까워지면 에너지 저장량이 증가한다. 아래 층에 있는 언덕과 계곡은 압력의 강도와 방향을 그리는 지도를 제공한다. 마치 우리의 피부처럼 말이다.
연구진은 기술을 확인하기 위해 개발한 센서를 고무장갑 손가락 끝에 붙였다. 그 뒤 이를 로봇 손에 끼웠다. 궁극적인 목표는 이 센서를 로봇 손을 감싸고 있는 피부에 이식하는 것이다. 한 실험에서 연구진은 센서를 부착한 로봇 손으로 딸기를 터치하도록 프로그래밍했다. 그들은 또한 센서를 사용해 로봇 손이 탁구공을 잡은 뒤 부서지지 않게 옮기고 내려놓도록 했다.
바오는 “센서가 적용된 로봇 손에 적절한 프로그래밍을 가하면 로봇 손이 컨베이어에서 계란을 들어 올려 상자에 넣는 일을 반복 수행할 수 있다”고 말했다. 이 기술은 또한 정밀한 터치, 제어가 필요한 로봇 수술에도 활용될 수 있다. 그러나 바오의 궁극적인 목표는 사전 프로그래밍 없이도 적절한 힘으로 물체를 안전하게 다룰 수 있도록 만드는 것이다.
바오는 “우리는 로봇 손이 라즈베리를 망가뜨리지 않으면서도 만질 수 있도록 프로그래밍할 수 있다. 그러나 로봇이 터치를 통해 그것이 라즈베리임을 알아채고, 부서지지 않도록 들어올리는 일은 먼 일이다”라고 말했다.
원문출처 : https://news.stanford.edu/2018/11/21/stanford-develops-electronic-glove-gives-robots-sense-touch/
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Light pulses prod artificial muscle into action
An optical signal triggers mechanical motion thanks to a nerve junction constructed in the laboratory.
A synthetic version (transparent rectangle) of the junction between a neuron and a muscle is shown on a model of a human hand. Credit: Y. Lee et al.
A device inspired by the body’s network of nerve cells could enable wireless control of artificial muscles and prostheses.
When a neuron commands a muscle to contract, the message travels through a junction called a synapse. The development of a synthetic system that mimics the activity of neurons and synapses to control artificial muscles would be a fundamental step for bio-inspired robotics, but such a system has proved challenging to create.
Tae-Woo Lee at Seoul National University and Zhenan Bao at Stanford University in California and their colleagues designed a synthetic synapse equipped with a light detector, which allows researchers to control the device with light pulses. The synapse converts these light signals into electrical impulses that can trigger movement of an artificial muscle made from a strip of polymer material. In tests, varying the rate of light pulses helped to control the strip’s flexion.
This approach is similar to optogenetic techniques, which genetically modify neurons to render them sensitive to light, the authors write.