- 손바닥 피하지방층 모사한 인공피부 개발, 로봇 손 부착시 조작성능 향상
- 스마트폰, 드라이버, 문고리 등 다양한 도구를 잡을 수 있는 로봇 손 나올까
로봇 손을 위한 인공피부가 개발됐다. 의수나 산업용 집게, 산업용 로봇손 등에 부착하는 것만으로 물체 조작 능력이나 작업능력을 향상시킬 유용한 말단 인터페이스가 될 수 있을지 기대된다.
한국연구재단(이사장 노정혜)은 한국과학기술원(KAIST) 박형순 교수, 김택수 교수 연구팀이 사람 손바닥 피부의 기계적 특성을 모사, 로봇 손의 조작성능을 높여줄 인공피부를 개발했다고 밝혔다.
기존 기능성 인공피부가 주로 미관상 기능이나 감각기능 재현에 초점을 두었던데 반해, 이번에 개발된 인공피부는 구조 그 자체로 조작기능 향상에 기여하기에 복잡한 제어알고리즘이나 추가적인 동작 없이 간단히 부착하는 것만으로 조작성능 향상을 도울 수 있다.
연구팀은 손바닥 피부를 물리적 장벽이자 다양한 감각을 수용하는 기관으로만 보지 않고, 임의의 모양의 물체에 밀착되도록 변형되면서 물체를 안정적으로 고정한다는 점에서 손의 조작기능에 영향을 미치는 중요한 변수로 주목했다.
이에 손바닥 피부를 겉 피부층, 피하지방층, 근육층으로 구조화하여 각 특성을 분석, 피하 지방층의 비대칭적인 물리적 특성이 기능적 장점을 만들어 내는 핵심요소임을 알아냈다. 부드러운 지방조직과 질긴 섬유질 조직이 복합되어 누름에 유연하면서도 비틀림이나 당김에 의한 변형에 대해서는 강인하게 버틸 수 있다는 것이다.
이를 토대로 손바닥처럼 말랑한 다공성 라텍스 및 실리콘을 이용해 손바닥 피부와 동일한 비선형적·비대칭적 물리적 특성을 지니는 3중층 인공피부를 제작했다. 기공들이 누름에 대해서는 쉽게 압축되어 물체의 형상에 맞게 쉽게 변형되도록 하는 한편, 기공 사이사이 질긴 라텍스 격벽이 비틀림이나 당김에 강하게 저항함으로써 대상 물체를 견고하게 잡을 수 있도록 한 것이다.
실제 이렇게 만들어진 3중층 인공피부를 부착한 로봇 손은 기존 실리콘 소재의 단일층 인공피부를 부착한 로봇 손 대비 물체를 고정할 수 있는 작업 안정성과 물체를 움직일 수 있는 조작성이 30% 향상된 것으로 나타났다.
연구팀은 향후 나사처럼 작은 물체나 계란처럼 쉽게 깨질 수 있는 매끄러운 물체 등 조작대상의 크기나 단단함, 표면특성을 고려하여 인공피부의 질감, 두께, 형상을 조절하는 등 용도에 맞는 최적의 피부구조를 설계하는 방안에 대한 연구를 지속할 계획이다. 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 바이오닉암메카트로 닉스융합연구사업 및 선도연구센터사업의 지원으로 수행된 이번 연구는 신소재 분야 국제학술지‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈 (Advanced Functional Materials)’속표지 논문으로 5월 8일 선공개 되었다.
(그림1) 인체모사 3중층 인공피부를 부착한 로봇 손의 동작 모습(관련 영상 별도 첨부)
개발한 인체모사 피부는 그림과 같이 로봇 손에 부착되었다. 물체 잡기 동작을 수행할 수 있는 기존 로봇 손은 엄지손가락을 쓰지 않고는 휴대폰을 잡을 수 없었다.
하지만 오른쪽 그림과 같이, 개발한 다공성 실리콘 소재의 3중층 인공피부 구조를 부착함으로써 피부구조가 휴대폰이 밀리지 않도록 고정해 주어 손바닥과 네 손가락만을 이용해서 휴대폰을 잡을 수 있었다.
제공 : 한국과학기술원 박형순 교수
(그림 2) 로봇 손의 기능성 평가 결과
로봇 손이 휴대폰을 잡은 상태에서 어느 정도의 외부 떨림, 힘에 대해서까지 휴대폰을 떨어트리지 않고 버틸 수 있는 지를 측정하는 방식으로, 로봇 손의잡기(grasping) 기능성을 평가하였다.
왼쪽 그림과 같이 휴대폰을 피부가 부착된 로봇 손을 이용하여 잡은 후, 휴대폰에 비틀림 힘을 가해 최대로 버틸 수 있는 힘을 측정하는 방식으로 진행되었다.
그 결과 연구팀이 개발한 3중층 인공피부 구조를 부착한 로봇 손은 기존 피부 구조 보다 47% 가량 큰 힘까지 안정적으로 휴대폰을 잡을 수 있었다.
제공 : 한국과학기술원 박형순 교수
(그림 3) 사람 피부 구조를 모사한 인체모사 3중층 인공피부 구조
인체모사 3중층 인공피부는 사람의 손바닥 피부 3중층을 모사하여 제작되었다. 왼쪽 위 그림과 같이 사람 손바닥 피부는 겉 피부층, 피하지방층, 근육층의 3층으로 이루어져 있는데 이 구조를 모사하여 아래 그림과 같은 인체모사 3중층 인공피부 구조가 제작되었다.
특히 피하지방층의 경우 물컹한 지방질 조직과 질긴섬유질 조직이 복합되어 비대칭적 물성을 가지는데, 이를 질긴 고무 격벽을 가지면서도 내부의 수많은 기공으로 인해 말랑말랑한 다공성 라텍스 구조(오른쪽 상단 그림)를 이용하여 재현하였다.
결과적으로 제작한 인체모사 3중층 인공피부 구조는 물체의 형상에 대해 피부구조가 밀착되게 변형되면서도 물체가 흔들리는 것은 질긴 격벽 구조가 견고하게 잡아주면서 안정성과 조작성을 모두 향상시킬 수 있다.
제공 : 한국과학기술원 박형순 교수
(그림 4) Advanced Functional Materials 속표지(2020.6.18. Issue 25 예정) 사진
제공 : 한국과학기술원 박형순 교수
(그림 5) 연구진 사진
왼쪽부터 김택수 교수(교신저자/KAIST), 김철규 박사(공동 제1저자/KAIST), 허시환 박사과정(공동 제1저자/KAIST), 박형순 교수(교신저자/KAIST)
제공 : 한국과학기술원 박형순 교수
