첨단 의수, 로봇 공학 혁신에서 인간의 촉감을 모방

최근 로봇 공학 분야의 혁신은 절단된 사람들에게 잃어버린 기능 중 일부를 회복하도록 도울 수 있습니다. 새로운 의수 설계는 센서 층을 하이브리드 로봇 구조와 신경형으로 인코딩된 신호를 읽는 머신러닝 알고리즘과 결합하여 인간과 유사한 기능을 구현합니다. 알아야 할 내용은 다음과 같습니다.

그립의 과학

아래로 손을 뻗어 무언가를 집어 올릴 때, 자동으로 이루어지는 것처럼 보일 수 있습니다. 실제로는 겉보기에 사소해 보이는 이 단순한 행동이 수백만 개의 피부 기계수용체, 연부 조직, 뼈, 관절, 그리고 뇌 사이의 복잡한 상호작용을 필요로 합니다.

손에는 메르켈 세포, 마이스너 소체, 루피니 말단, 파시니안 소체라는 네 가지 주요 촉각 기계수용체가 있습니다. 피부의 외층에는 가벼운 접촉에 반응하도록 설계된 메르켈 세포가 있습니다.

다음으로 마이스너 소체는 저주파를 감지합니다. 이어서 루피니 말단은 표면 변형을 판단합니다. 마지막 층인 파시니안 소체는 압력과 고주파 진동을 감지합니다.

이러한 센서, 뼈, 조직의 조합이 인간이 다양한 복잡한 표면을 쉽고 빠르게 감지할 수 있게 합니다. 특히 이 구조 덕분에 달걀을 깨뜨리지 않고 집어 올리거나, 자동 판매기에서 주문한 뜨거운 코코아가 담긴 종이컵이 미끄러지기 시작하는 것을 감지할 수 있습니다.

인간 그립 복제의 문제점

인간 사지와 동일한 다재다능함을 가진 로봇 손을 만들려는 시도가 많이 있었지만, 현재까지는 여러 이유로 모두 만족스럽지 못했습니다. 가장 좋은 결과를 얻은 시도들은 소프트 로보틱스를 활용했습니다.

소프트 로봇은 전통적인 로봇과 달리 단단한 구조가 없습니다. 이러한 장치는 재난 구호와 광물 탐사 등 다양한 작업에서 사용이 늘어나고 있으며, 비정형 설계 덕분에 좁은 공간을 통과하도록 형태를 바꿀 수 있습니다. 그러나 이러한 유연성 부족이 인간 사지를 완벽히 복제하지 못하게 하는 원인이 되기도 합니다.

첫째, 유연한 소프트 로봇에 센서를 추가하면 기본적인 유연성이 저하됩니다. 또한 대부분의 시스템은 단순히 접촉이 발생했음을 감지하는 수준에 머물러 있습니다. 이는 물체를 만질 때마다 뇌가 처리하는 방대한 감각 데이터와는 큰 차이가 있습니다.

연구 세부 사항

이러한 한계를 인식한 플로리다 애틀랜틱 대학교와 기타 선도 기관의 과학자들은 “A natural biomimetic prosthetic hand with neuromorphic tactile sensing for precise and compliant grasping“¹이라는 논문을 Science Advances에 발표했습니다. 이 논문은 소프트 로봇 관절, 강체 골격, 다층 센서 시스템을 활용한 새로운 하이브리드 의수 설계를 탐구합니다.

손 설계

엔지니어들은 인간 손을 재현한 새로운 손 설계를 만들었습니다. 다지 손 시스템은 고무와 유사한 폴리머를 사용해 손가락과 대립 엄지를 형성합니다. 설계는 공기 충전식 손가락 관절을 활용하며, 전기근전도(EMG)를 통해 전완 근육으로 구동됩니다. 이 접근법은 착용자가 실제 손처럼 제어할 수 있게 합니다.

출처 – Science Advances

하이브리드 바이오모픽 손가락

하이브리드 바이오모픽 손가락 설계는 세 개의 독립 구동 소프트 로봇 관절을 통합합니다. 이 관절은 인간 피부를 모방하기 위해 Dragon Skin 10 실리콘으로 제작되었습니다. 손가락은 14개의 독립 구동 관절을 가지고 있으며, 각 주요 손가락에 3개, 엄지에 2개가 배치됩니다.

연구진은 하이브리드 손가락 관절을 구동하기 위해 공압 네트워크를 활용했습니다. 구체적으로, 액추에이터는 공기를 가압하여 팽창시키고, 그에 따라 움직이게 합니다. 이 전략은 추가 모터와 액추에이터를 없애 비용과 무게를 감소시킵니다.

소프트 액추에이터와 강체 골격의 인간형 구성은 기존 소프트 로봇 옵션보다 더 큰 힘을 제공합니다. 따라서 가압된 액추에이터가 조작 대상 물체에 직접적인 힘을 전달하여 특정 부위에 정밀한 압력을 가함으로써 손상을 방지하면서 물체를 조작할 수 있음을 확인했습니다.

의수 손끝

소프트 실리콘 손끝에는 다층 촉각 센서 배열이 있어 압력과 고주파를 감지합니다. 이는 손의 가장 민감한 부분이며, 다른 센서와 연결되어 환경과 조작 대상 물체에 대한 깊이 있는 해석을 제공합니다. 인간처럼 로봇도 손끝을 표면에 대어 물체의 구성과 취급 방법을 파악할 수 있습니다.

골격

이 접근법의 핵심은 하이브리드 설계가 3D 프린팅된 강체 골격 구조를 포함한다는 믿음입니다. 엔지니어들이 사용한 골격은 폴리락트산(PLA)으로 제작되어 안정성, 힘 증폭, 손의 핵심 부품을 지원합니다.

센서

연구진은 인간에 근접한 성능을 달성하기 위해 세 층의 촉각 센서만 복제하면 충분하다는 것을 발견했습니다. 이 레이아웃은 시스템에 실시간으로 신뢰할 수 있는 촉각 피드백을 제공하여 복잡한 의사결정을 가능하게 합니다.

외층: 외부 센서 층은 표피와 같은 역할을 하도록 설계되었습니다. 피부가 가장 가벼운 접촉을 감지하듯, 팀은 하이브리드 손끝 표면에 외부 압전 저항성 센서 층을 통합했습니다. 이 층에는 9개의 촉각 센서가 포함되어 있으며, 각 센서는 총 면적 4 mm²이고, 2.5 mm 간격으로 배치되어 손끝 전체를 커버합니다.

중간층: 중간 감지 영역은 몸 안의 루피니 말단과 유사하게 동작하도록 구축되었습니다. 이를 위해 팀은 압전 저항성 센서 층을 삽입했습니다. 특히, 압전 저항성 센서는 외부 힘이 가해질 때 전기 저항이 변합니다.

흥미롭게도, 이 층에는 6 mm² 크기의 6개 센서가 있습니다. 팀은 이 센서들을 2.5 mm 간격으로 배치하고, 외부 센서 층과는 오프셋 방식으로 배치하여 전술적 수신 능력을 향상시켰습니다.

내층:  엔지니어들은 손의 내층을 파시니안 소체와 같이 고주파 진동과 순간 압력을 감지하도록 설계했습니다. 이는 10 mm 압전 트랜스듀서를 손톱에 부착하여 제작했으며, 하이브리드 손끝의 연부와 강체 부품 사이에 위치합니다.

힘이 감지될 때마다 작은 전압을 생성해 시스템이 조정을 하고 물체를 조작하는 최적 방법을 결정하도록 합니다. 또한 강체 손톱을 이용해 표면의 진동을 포착합니다.

머신러닝 알고리즘

이 모든 데이터는 머신러닝 알고리즘에 입력되어 데이터를 수집·처리·신경형으로 인코딩한 뒤 로봇 부착물에 다시 전달됩니다. 시스템은 자체 머신러닝 알고리즘과 연계된 신경형 응답을 활용해 질감을 분류할 수 있습니다.

흥미롭게도, 시스템은 인간 피부의 기계수용체와 유사하게 Izhikevich 뉴런 모델 프레임워크를 사용해 데이터를 신경형으로 인코딩합니다. 이 전략은 하이브리드 로봇 분야에서 처음으로 신경 자극을 통한 자연스러운 촉각 정보를 제공하게 합니다.

로봇 손은 무엇을 만지는지 알 수 있다

이 전략은 로봇 팔이 무엇을 만지는지 판단하도록 합니다. 신호는 뇌와 신경을 연결해 착용자가 다양한 형태와 표면 질감을 손쉽게 구분할 수 있게 합니다.

의수 테스트

의수 테스트는 개별 손가락부터 시작되었습니다. 각 손가락이 테스트되고 각 감각 층이 평가되었습니다. 모든 장치가 독립적으로 계획대로 작동함을 확인한 뒤, 이들을 결합하고 다음 테스트 단계에 들어갔습니다.

연구의 이 테스트 단계에서 엔지니어들은 손을 UR5 로봇 팔에 부착했습니다. 이후 팀은 물체를 조작하려 시도했습니다. 총 15개의 일상 물품이 선택되었으며, 파인애플, 금속 물병, 부드러운 장난감부터 물이 든 종이컵까지 다양했습니다.

결과 및 관찰

테스트 결과는 이 기술에 큰 가능성을 보여주었습니다. 테스트를 통해 기능에 대한 몇 가지 통찰을 얻었습니다. 유연성 측면에서 하이브리드 바이오모픽 손가락은 127°의 곡률과 230°의 굴곡 각을 달성했으며, 고장 지점이 없었습니다.

또한 로봇 팔은 다재다능함을 보여주었으며, 실시간으로 그립을 조정할 수 있었습니다. 한 사례에서는 물이 쏟아지는 것을 방지하기 위해 종이컵을 잡을 때 3개의 손가락만 사용했습니다. 인상적으로, 로봇 팔의 센서는 접촉 기반으로 물체를 98.38% 정확도로 분류했으며, 이는 소프트 로봇 및 강체 의수 손가락 모두를 능가하는 인간 수준의 정확도였습니다.

연구 결과의 이점

이 연구가 시장에 가져올 이점은 로봇 공학을 보다 나은 방향으로 변화시킬 수 있습니다. 여기서 시연된 하이브리드 기술은 로봇과 직원이 나란히 작업하는 환경에서 안전성을 향상시킬 수 있습니다. 로봇 동료와 부딪히면 로봇이 물러서며 사과하는 모습을 상상해 보세요.

향상된 손재주

업그레이드된 의수는 이전 모델에 비해 높은 손재주를 보여주었습니다. 소프트와 강체 로봇이 할 수 없던 작업을 수행했습니다. 예를 들어, 공을 잡을 때 공 주위에 맞춰 형태를 변형시켜 잡는 작업을 성공했으며, 이는 강체 의수로는 불가능한 일입니다.

보다 자연스러운 느낌

이 스타일의 의수는 환자에게 더 자연스러운 느낌을 제공합니다. 상지 절단 환자들은 의수가 해를 끼칠까 두려워 일상 작업에 재참여하기 어렵다고 느낍니다. 이 기술은 사랑하는 사람들과 안전하게 상호작용할 수 있게 해줍니다.

의수 연구자

이 의수 연구는 플로리다 애틀랜틱 대학교의 Cheng Wen‑Yu 교수가 이끌었습니다. 프로젝트에 참여한 다른 연구자들로는 University of Illinois Chicago의 Zhang Jinghua, Ariel Slepyan, Mark M. Iskarous, Rebecca J. Greene, Rene DeBrabander, Junjun Chen, Arnav Gupta 등이 있습니다.

흥미롭게도, 이 팀은 2018년에 로봇 분야에 전자 피부를 최초로 도입한 바 있습니다. 이제 그들은 이 기술을 기반으로 인간 수준의 성능을 제공하는 능력 있는 의수를 개발했습니다. 향후 계획으로는 더 많은 센서, 개선된 소재, 증가된 그립 힘을 통합해 시스템을 발전시킬 예정입니다.

실제 적용 및 의수 기술 로드맵

이 진보는 상지 절단 환자들에게 환경과 보다 자연스럽고 안전하게 상호작용할 수 있는 능력을 제공함으로써 큰 기대를 모읍니다. 미래의 의수는 이 기술을 통합해 인간과 같은 반응을 제공할 수 있을 것입니다. 동일한 기술은 수술용 로봇의 개선에도 기여할 수 있습니다.

현재는 연구 단계에 머물고 있지만, 이러한 의수 기술은 추가 개발 및 규제 승인을 거쳐 향후 5~10년 내에 상용화될 가능성이 있습니다. 아래는 이 소프트 로봇 그립 기술의 몇 가지 실제 적용 사례입니다.

산업

지난 5년간 산업 분야는 로봇 도입이 크게 증가했습니다. 최신 기술은 채택을 더욱 촉진할 수 있습니다. 제조업체는 인간 작업자와 로봇을 통합해 품질을 유지하면서 효율성을 높이는 방안을 지속적으로 모색하고 있습니다.

이 연구에서 논의된 하이브리드 로봇 기능은 인간과 함께 작업할 때 위험을 줄일 수 있습니다. 또한 유리 제품과 같은 섬세한 물품을 손상 없이 분류하는 등 전통적으로 인간만 수행하던 작업도 수행할 수 있습니다.

농업

농업 역시 로봇이 자리 잡은 분야입니다. 이러한 장치는 센서를 통해 작물의 건강 상태를 모니터링하고, 적시에 성숙한 작물을 수확하도록 도와 수확량을 향상시킬 수 있습니다. 미래에는 소프트 로봇이 파종, 수확, 선별 등 농업 전 과정을 담당할 수 있을 것입니다.

로봇 산업을 선도하는 혁신 기업

로봇 분야는 더 많은 기업과 기술이 진입하면서 계속 성장하고 있습니다. 로봇의 미래는 밝으며, 여러 기업이 시장에서 강력한 입지를 확보하고 있습니다. 이들 기업은 보다 민첩하고, 능력 있으며, 오래 지속되는 로봇 개발을 위해 수십억 달러를 연구·개발에 투자하고 있습니다. 여기에는 한 기업이 로봇 분야를 선도하고 있습니다.

Ekso Bionics Holdings, Inc. (NASDAQ: EKSO)

Ekso Bionics Holdings Inc. 는 2005년에 시장에 진입해 외골격 기술 및 로봇 재활 장치 분야를 강화하고자 했습니다. 출시 이후, 회사는 외골격 제품 개발을 지속적으로 확대하는 고위 계약을 다수 체결했습니다.

외골격은 인간이 착용하는 로봇입니다. 설계 목적은 사용자의 움직임을 보조하고 향상시키는 것입니다. 따라서 공장에서는 피로를 방지하고, 전쟁터에서는 병사의 운반 능력을 높이는 데 활용될 수 있습니다.

Ekso Holdings는 사지 상실 환자의 삶의 질을 향상시키는 여러 혁신 솔루션을 제공합니다. 이러한 제품과 시장에서의 입지는 Ekso Bionics Holdings를 포트폴리오에 포함시키기에 매력적인 기업으로 만들고 있습니다.

Ekso Bionics Holdings 최신 소식

의수 연구와 하이브리드 로봇의 미래

이 연구는 자연이 이미 많은 설계 문제에 대한 최적의 해결책을 찾아냈을 가능성을 보여줍니다. 엔지니어들이 자연을 모방하려 할수록, 그들의 로봇 설계는 효율성의 새로운 시대를 열게 될 것입니다. 이 기술은 로봇이 인간과 안전하게 협업하고, 근로자의 삶과 제품 품질을 동시에 향상시키는 추가 서비스를 제공하도록 도울 수 있습니다.

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참고 연구:

^{1. Sankar, S., Cheng, W.-Y., Zhang, J., Slepyan, A., Iskarous, M. M., Greene, R. J., DeBrabander, R., Chen, J., Gupta, A., & Thakor, N. V. (2025). 자연적인 바이오모픽 의수, 정밀하고 순응성 있는 그립을 위한 신경형 촉각 감지. Science Advances, 11(10), eadr9300. https://doi.org/10.1126/sciadv.adr9300}