MIT 엔지니어, 정밀 촉각 매핑 위한 첨단 터치 센싱 장갑 개발

풍선을 집을 때 힘을 주는 방식과 병을 잡을 때 힘을 주는 방식은 다릅니다. 이제 MIT 등 엔지니어들이 이런 촉각 민첩성의 미묘함을 정밀하게 측정하고 매핑하는 방법을 개발했습니다.

팀은 압력과 다른 촉각 자극을 '느낄' 수 있는 새로운 터치 센싱 장갑을 설계했습니다. 장갑 안쪽에는 센서 시스템이 실처럼 꿰어져 있어 장갑 전체의 미세 압력 변화를 감지, 측정, 매핑합니다. 개별 센서는 고도로 예민해 피부 위 매우 약한 진동, 예를 들어 맥박까지 포착할 수 있습니다.

피험자들이 장갑을 끼고 풍선과 비커를 집을 때, 센서는 각 과제에 특화된 압력 맵을 생성했습니다. 풍선을 잡으면 손바닥 전체에 상대적으로 균일한 압력 신호가, 비커를 잡으면 손가락 끝에 더 강한 압력이 나타났습니다.

연구자들은 이 촉각 장갑이 뇌졸중이나 기타 세밀 운동 장애 환자의 운동 기능과 협응 재훈련에 도움이 될 수 있다고 말합니다. 장갑은 가상현실과 게임 경험 향상에도 응용될 수 있습니다. 팀은 압력 센서를 촉각 장갑뿐만 아니라 유연한 점착 패치에 통합해 맥박, 혈압, 기타 활력 징후를 스마트워치 등 기존 착용형 모니터보다 더 정확히 추적하는 구상을 하고 있습니다.

"우리 센싱 구조의 단순성과 신뢰성은 맥박 감지와 촉각 기능 장애 환자의 감각 능력 회복 등 다양한 헬스케어 응용 분야에 큰 약속을 지닙니다."라고 MIT 기계공학 교수 니콜라스 팡(Nicholas Fang)이 말했습니다.

장갑 압력 센서는 습도 측정 센서와 원리가 유사합니다. 이 센서들은 HVAC 시스템, 냉장고, 기상 관측소 등에서 쓰이며, 두 전극(금속판)이 고무 같은 '유전체' 소재를 샌드위치해 전하를 주고받는 작은 커패시터로 설계됩니다.

습한 조건에서 유전체 층은 스펀지처럼 주변 수분에서 하전 이온을 흡수합니다. 이 이온 추가가 두 전극 간 정전용량, 즉 전하량을 정량화·변환 가능한 방식으로 바꿔 습도 측정이 가능해집니다.

최근 연구자들은 이 커패시터 샌드위치 구조를 얇고 유연한 압력 센서 설계에 적용해왔습니다. 원리는 비슷합니다: 센서가 압착되면 유전체 층 내 전하 균형이 이동해 압력 신호로 측정·변환 가능합니다. 하지만 대부분 압력 센서의 유전체 층은 상대적으로 두꺼워 감도가 제한됩니다.

새 촉각 센서에서 팀은 기존 유전체 층을 버리고 놀라운 성분인 사람 땀을 택했습니다. 땀은 자연적으로 나트륨, 염화물 등 이온을 포함하므로 이들이 유전체 대리 역할을 할 수 있다고 판단했습니다. 샌드위치 구조 대신 피부 위에 놓인 두 얇은 평평한 전극이 일정 정전용량으로 회로를 이루도록 구상했습니다. 압력이 한 '감지' 전극에 가해지면 피부 자연 수분의 이온이 아래면에 축적돼 두 전극 간 정전용량을 측정 가능한 양만큼 변화시킵니다.

감지 전극 밑면에 작고 구부러지는 전도성 털 숲을 덮어 감도를 높일 수 있음을 발견했습니다. 각 털은 주 전극의 미세 연장 역할을 해, 예를 들어 전극 모서리에 압력이 가해지면 그 영역 털들이 반응해 휘고 피부 이온을 축적하며, 그 정도와 위치를 정밀 측정·매핑할 수 있습니다.

새 연구에서 팀은 수천 개 금 미세 필라멘트 '마이크로필러'가 늘어선 얇은 커널 크기 감지 전극을 제작했습니다. 다양한 힘과 압력에 반응해 마이크로필러 그룹이 휘는 정도를 정확히 측정할 수 있음을 입증했습니다. 감지 전극과 제어 전극을 지원자 손가락 끝에 놓자 구조가 고감도임이 확인됐습니다. 센서들은 같은 주기 내 서로 다른 봉우리 등 맥박 미세 위상들을 포착했습니다. 사람이 방을 가로질러 걷으며 손을 흔들 때도 정확한 맥박 읽기를 유지했습니다.

"맥박은 우리가 느낄 수 없는 피부 변형을 일으키는 기계적 진동이지만, 필러들은 포착할 수 있습니다." 팡 교수가 말했습니다.

연구자들은 새 마이크로필러 압력 센서 개념을 고감도 촉각 장갑 설계에 적용했습니다. 시판 실크 장갑으로 시작했습니다. 압력 센서를 만들기 위해 카본 클로스(마이크로필러와 유사한 많은 얇은 필라멘트로 구성된 직물)에서 작은 정사각형을 잘라냈습니다.

각 천 조각에 금을 스프레이해 자연 전도성 금속으로 감지 전극으로 만들었습니다. 천 전극들을 장갑 안감 여러 부분(손끝, 손바닥 등)에 접착하고, 전도성 섬유를 장갑 전체에 꿰매 각 전극을 장갑 손목의 제어 전극에 연결했습니다.

여러 지원자가 촉각 장갑을 끼고 풍선 잡기, 유리 비커 잡기 등 다양한 과제를 수행했습니다. 팀은 각 센서 판독값을 모아 과제별 장갑 전체 압력 맵을 만들었습니다. 맵들은 각 과제에서 생성된 뚜렷하고 상세한 압력 패턴을 드러냈습니다.

팀은 펜으로 글쓰기, 기타 가사 물체 다루기 등 다른 과제 압력 패턴 식별에 장갑을 쓸 계획입니다. 궁극적으로 이런 촉각 보조기구가 운동 기능 장애 환자 손재주와 악력 보정·강화에 도움이 될 것으로 전망합니다.

"일부 정교한 운동 기술은 물체 다루는 법뿐만 아니라 얼마나 힘을 가해야 하는지도 알아야 합니다." 팡 교수가 말했습니다. "이 장갑은 대조군과 뇌졸중 또는 기타 신경학적 상태 회복 환자의 악력 측정을 더 정확하게 제공할 수 있습니다. 이는 이해를 높이고 제어를 가능케 할 수 있습니다."