인공 털 탑재 새로운 전자 피부: 다방향 촉각 감지 및 예측

켐니츠와 드레스덴 연구팀이 통합된 인공 털을 가진 민감한 전자 피부(e-skin) 개발에 큰 진전을 이루었습니다. 전자 피부는 자연 인간 피부 대응물의 민감성을 모방하려는 유연한 전자 시스템입니다. 응용 분야는 피부 대체와 신체 의료 센서부터 휴머노이드 로봇과 안드로이드용 인공 피부까지 다양합니다.

작은 표면 털은 인간 피부에서 가장 미세한 촉각 감각을 인지하고 예측할 수 있으며 터치 방향까지 인식할 수 있습니다. 최신 전자 피부 시스템에는 이 능력이 없어 주변 환경에 대한 이러한 중요한 정보를 수집할 수 없습니다.

연구팀은 전자 피부 시스템(액티브 매트릭스)에 통합될 수 있는 극도로 민감하고 방향 의존적인 3D 자기장 센서를 개발하는 새로운 접근법을 탐구했습니다. 팀은 3D 장치 어레이의 소형화와 통합을 위한 완전히 새로운 접근법을 사용하여 자연 인간 피부의 촉각을 모방하는 데 큰 걸음을 내디뎠습니다. 연구자들은 결과를 Nature Communications 저널에 보고했습니다.

이 연구의 제1저자 크리스티안 베커(Christian Becker)는 "우리의 접근법은 3D에서 기능적 센서 요소의 정밀한 공간 배열을 가능하게 하며, 이는 병렬 제조 공정으로 대량 생산할 수 있습니다. 이러한 센서 시스템은 기존 마이크로전자 제조 방법으로는 생성하기 극도로 어렵습니다."라고 말했습니다.

연구팀이 제시한 센서 시스템의 핵심은 이방성 자기저항(AMR) 센서입니다. AMR 센서는 자기장의 변화를 정밀하게 결정하는 데 사용될 수 있습니다. 현재 예를 들어 자동차의 속도 센서나 다양한 기계에서 움직이는 부품의 위치와 각도 결정에 사용됩니다.

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고도로 콤팩트한 센서 시스템을 개발하기 위해 연구자들은 소위 '마이크로 오리가미 공정(micro-origami process)'을 활용했습니다. 이 공정은 AMR 센서 구성 요소를 3차원 구조로 접어 자기 벡터장을 3차원으로 분해할 수 있게 합니다.

마이크로 오리가미는 많은 마이크로전자 부품을 작은 공간에 넣고 기존 마이크로 제조 기술로는 달성할 수 없는 형상으로 배열할 수 있게 합니다. "마이크로 오리가미 공정은 20년 전에 개발되었는데, 이 우아한 기술의 완전한 잠재력이 이제 새로운 마이크로전자 응용 분야에 활용되는 것을 보니 훌륭합니다."라고 올리버 G. 슈미트(Oliver G. Schmidt) 교수가 말했습니다.

연구팀은 3D 마이크로 오리가미 자기 센서 어레이를 단일 액티브 매트릭스에 통합했으며, 여기서 각 개별 센서는 마이크로전자 회로에 의해 편리하게 주소 지정되고 읽힐 수 있습니다. "액티브 매트릭스 자기 센서와 자가 조립 마이크로 오리가미 아키텍처의 결합은 고해상도 3D 센싱 시스템을 소형화하고 통합하는 완전히 새로운 접근법입니다."라고 프로젝트 개념, 설계, 구현에 결정적으로 기여한 다니일 카르나우셴코(Daniil Karnaushenko) 박사가 말했습니다.

연구팀은 자기 뿌리를 가진 미세 털과 3D 자기장 센서를 인공 전자 피부에 통합하는 데 성공했습니다. 전자 피부는 전자 장치와 센서가 내장된 엘라스토머 재료로 만들어졌습니다 — 유기 피부가 신경과 얽혀 있는 것과 유사합니다.

털이 만져져 구부러지면, 자기 뿌리의 움직임과 정확한 위치가 하부의 3D 자기 센서에 의해 감지될 수 있습니다. 센서 매트릭스는 따라서 털의 단순한 움직임뿐만 아니라 움직임의 정확한 방향도 결정할 수 있습니다. 실제 인간 피부와 마찬가지로, 전자 피부의 각 털은 주변 환경의 변화를 인지하고 감지할 수 있는 완전한 센서 유닛이 됩니다.

3D 자기 센서와 자기 털 뿌리 사이의 자기-기계적 결합이 실시간으로 이루어져 새로운 유형의 촉각 지각을 제공합니다. 이 능력은 인간과 로봇이 밀접하게 협력할 때 매우 중요합니다. 예를 들어, 로봇은 의도된 접촉이나 의도치 않은 충돌이 일어나기 직전에 인간 동반자와의 상호작용을 많은 세부 사항과 함께 미리 감지할 수 있습니다.