하이드로햅틱스: 실제 힘 피드백을 제공하는 부드러운 표면

촉각은 우리에게 가장 중요한 감각 중 하나이며, 태어나기도 전에 발달하기 시작합니다. 실제로 인간 배아 발생 과정에서 가장 먼저 발달하는 감각입니다.

우리 삶의 필수적인 부분인 촉각은 특수 신경 세포가 피부에서 촉각 정보를 감지하여 뇌로 전달할 때 발생하며, 뇌에서는 이 정보를 온도, 압력, 통증 및 진동으로 인식합니다.

우리 몸의 감각 신경 세포는 매우 다양하며, 그 끝부분은 여러 가지 감각 구조에 위치해 있습니다. 이 신경 세포들은 조화롭게 작용하여 다양한 촉각적 특성을 감지합니다.

우리가 촉각이라는 복잡한 언어를 더 잘 이해하게 되면서, 기술을 통해 그것을 재현하는 능력 또한 발전해 왔습니다. 바로 이 지점에서 햅틱스가 등장합니다. 햅틱스는 인간 촉각의 풍부함을 디지털 및 기계적 경험으로 구현하는 새로운 분야입니다.

'접촉하다' 또는 '만지다'를 의미하는 그리스어 'haptein'에서 유래한 햅틱스는 촉각을 통한 감지 및 조작을 가리킵니다. 또한 진동이나 힘 피드백과 같은 촉각적 감각을 생성하기 위해 기술을 사용하는 것도 포함합니다. 게임 컨트롤러, 스마트폰 진동 등이 그 예입니다. 로봇 수술, 그리고 가상 현실.

햅틱 기술은 사용자가 멀리 있는 물체를 간접적으로 만지고 느낄 수 있도록 해줍니다. 조이스틱이나 데이터 글러브와 같은 특수 장치는 컴퓨터 애플리케이션으로부터 촉각적 피드백을 제공합니다. 가상 환경과 상호작용하는 사용자에게 강제적인 피드백을 제공함으로써, 햅틱 기술은 양방향 정보 흐름을 만들어냅니다.

햅틱 기술의 진화 

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약 반세기 전 처음 소개된 이후, 햅틱 기술은 질감, 온도, 압력, 심지어 부드러움과 같은 감각을 일상 사물에 구현할 수 있는 정교한 분야로 발전해 왔습니다. 이러한 차세대 햅틱 기술은 디지털 경험을 실제 물리적 상호작용에 더욱 가깝게 만들어 줄 것으로 기대됩니다.

오늘날 인터페이스를 형성하는 다양한 햅틱 기술은 기술이 얼마나 빠르게 발전했는지를 보여줍니다.

스마트폰과 웨어러블 기기는 진동 촉각 피드백을 활용하여 진동을 발생시키고, 터치스크린과 트랙패드의 정전기 햅틱 기술은 매끄러운 화면에 질감이나 마찰의 느낌을 부여합니다. 열 햅틱 기술은 온도 변화를 시뮬레이션하여 가상 상호작용에 더욱 현실감을 더합니다.

포스 피드백은 압력이나 움직임을 감지하여 더욱 현실적인 상호 작용을 가능하게 합니다. 햅틱 액추에이터와 모터는 게임 컨트롤러나 VR 기기에서 저항감을 느끼게 하는 요소입니다.

이 외에도 전기장이나 자기장에 노출될 때 모양이나 강도가 변하는 전기활성 고분자 및 자기유변 고분자와 같은 새로운 스마트 소재는 유연한 촉각 피드백을 가능하게 합니다.

다음으로는 전압을 이용하여 정밀하고 국소적인 피드백을 제공하는 압전 햅틱이 있습니다. 작은 측면 힘은 피부에 작은 측면 힘을 가하고, 미세유체 햅틱은 미세한 유체 채널을 사용하여 촉각을 시뮬레이션합니다.

이처럼 성장하는 분야의 또 다른 기술은 공압 및 유압식 햅틱 기술로, 공기 또는 액체 압력을 이용하여 악력, 무게 또는 충격을 시뮬레이션하는 데 사용됩니다.

이러한 기술들 중에서도 유압식 햅틱은 고충실도 햅틱 기술로서 연구자들 사이에서 큰 주목을 받고 있습니다. 이 신기술은 무엇보다도 다음과 같은 장점을 제공합니다. 강렬하고 현실적인 감각 기존의 진동 기반 햅틱 기술의 한계를 뛰어넘는 성능.

유체를 활용함으로써 강력하고 정밀하며 역동적인 힘 피드백을 구현할 수 있습니다. 또한, 유압식 햅틱 시스템은 다양한 온도의 물을 빠르게 순환시켜 신속하고 사실적인 온도 감각을 제공할 수 있습니다. 나아가 유압 및 공압 시스템을 부드럽고 유연한 장치에 통합하면 사용자의 피로를 줄이고 손재주를 유지하는 데 도움이 되는 더욱 자연스러운 웨어러블 햅틱을 구현할 수 있습니다.

기존의 햅틱 장치는 부피가 크고 경직되어 있어 보편적인 상호작용에 적합하지 않은 경우가 많았습니다. 이러한 단점을 해결하기 위해 연구진은 소형 유압 펌프와 액추에이터를 개발하여 일상생활에 훨씬 더 실용적인 소형 웨어러블 장치를 만들 수 있게 되었습니다.

예를 들어, 몇 년 전 오토데스크 리서치, 매니토바 대학교, 토론토 대학교의 연구원들이 협력하여 다음과 같은 연구를 진행했습니다. 하이드로링 만들기¹손가락에 착용하여 온도, 진동, 압력 등의 촉각을 전달함으로써 혼합 현실 햅틱 상호 작용을 가능하게 하는 장치입니다. 

이 웨어러블 기기는 작동 시 손가락 끝에 착용하는 얇고 유연한 튜브를 통해 액체가 흐르면서 감각을 전달합니다. 비작동 모드에서는 사용자의 손재주와 자극 인지에 미치는 영향이 최소화됩니다.

최근에는 조지아 공과대학의 연구원들이... 부드러운 촉각 링을 도입했습니다.²이 장치는 공압 및 유압 작동 방식을 결합하여 근위지골의 부드러움, 거칠기 및 온도를 모방합니다. 인체 피부의 기계적 특성과 유사한 EcoFlex 00-30 실리콘으로 제작된 이 의족은 착용자가 손가락 끝을 사용하여 주변 환경을 탐색할 수 있도록 해줍니다. 

이 장치는 공기 주입을 통한 진동 전달, 유압 회로 내 순환수를 통한 열감 전달, 그리고 압력을 동시에 전달할 수 있도록 설계되었습니다. 

연구진은 반지와 렌더링 기술의 효과를 평가하기 위해 15명의 참가자를 대상으로 사용자 연구를 진행했습니다. 그 결과, 참가자들이 가상 질감을 실제 질감과 최대 90%까지 정확하게 일치시키는 것을 확인했습니다. 또한, 다차원적인 형용사 평가에서도 이 장치가 다양한 감각 양식을 통해 뚜렷한 촉각적 감각을 효과적으로 전달하는 것으로 나타났습니다.

몇 년 전, 카네기 멜론 대학교의 연구원들은 이 기술을 한 단계 더 발전시켰습니다. 유압 기반 햅틱 개발³ 두께가 5mm에 불과할 정도로 얇아서 OLED 화면에 장착하면 터치스크린 알림을 물리적으로 느낄 수 있습니다. 

새로운 디스플레이 기술은 사용자가 알림을 확인하고, 버튼을 누르고, 키보드를 사용하는 등 더욱 몰입감 있고 상호작용적인 방식으로 상호 작용할 수 있도록 해줍니다. 연구진에 따르면, 이 프로토타입 기술은 음악 플레이어, 게임, 전기 자동차 등 다른 기기에서도 동적인 인터페이스를 구현할 수 있게 해줍니다.

이제 바스 대학교의 연구원들은 반응형 신기술을 개발했습니다⁴ 하이드로햅틱스(HydroHaptics)라고 불리는 이 기술은 가볍게 두드리거나 쥐는 동작에도 반응합니다.

유압식 햅틱이 공압식보다 우수한 이유 (유압식 햅틱 설명)

부드럽고 유연한 인터페이스는 독특한 상호 작용 가능성을 제공하지만 힘 피드백이 제한적이라는 단점이 있습니다. 공압 방식은 반응성과 정밀도가 부족하여 적합하지 않고, 미세 유압 방식은 입력이 제한적입니다. 

따라서 유압 시스템은 완벽한 선택입니다. 유압 시스템은 작동 유체로 액체를 사용하는데, 이는 압축성이 있는 공기를 사용하는 공압 방식과는 대조적입니다. 공기는 속도와 힘 및 변위 출력의 정확도를 제한합니다. 액체를 사용하면 더 높은 정밀도와 더욱 빠른 반응성을 얻을 수 있습니다. 

현재의 대화형 유압 모델은 주로 마이크로 유압을 사용하는데, 이는 향상된 제어 기능을 제공하지만 부피 제한으로 인해 인터페이스가 작은 버튼으로 제한되어 입력 유연성과 형태 다양성이 제한됩니다. 

유압식 상호 작용 시스템을 설계할 때는 누수, 제한된 역구동 기능, 특수 부품의 필요성 등의 문제도 해결해야 하므로 구현이 더욱 어려워집니다.

연구진은 정수압 전달을 통해 변형 가능한 인터페이스에 고정밀 힘 피드백을 제공하는 새로운 시스템인 하이드로햅틱스(HydroHaptics)를 개발했습니다. 이 플랫폼은 유연성, 부드러움, 자유로운 입력 등 풍부한 사용자 경험을 가능하게 하는 특성을 유지하면서 부드러운 인터페이스의 힘 피드백 품질을 향상시킬 수 있습니다.

이 기술은 여러 가지 장점을 가지고 있습니다. 우선, 브러시리스 DC 모터로 구동되며 펌프, 밸브, 조절기가 필요하지 않습니다. 연구진은 이 소형 모터의 가용성, 경제성 및 제어 옵션을 활용하여 하이드로햅틱에 힘 피드백 효과를 구현할 수 있습니다. 

구성 요소 수를 줄여 확장성을 높임으로써 시스템의 누출 가능성을 낮추고 더 큰 인터페이스에 적용할 수 있도록 했습니다. 또한 시스템에 사용되는 대부분의 구성 요소는 기성품이거나 3D 프린팅으로 제작되었습니다.

게다가 하이드로햅틱스는 본질적으로 양방향성을 띠어 힘 입력 상호 작용을 감지하고 힘 피드백을 제공할 수 있습니다. 즉, 이 혁신적인 기술은 사람과 그 사람이 들고 있거나 착용하고 있는 물체 사이에 양방향 통신을 가능하게 합니다. 

이러한 모든 이점들을 종합하면, 부드러운 인터페이스에서 촉각적 상호작용을 탐구하고 새로운 변형 가능 장치를 개발할 수 있는 독특한 기회를 제공합니다.

하이드로햅틱스는 밀폐된 유압 셀을 사용하는 오픈 소스 시스템으로, 이 셀에는 일정량의 비압축성 액체가 채워져 있으며, 이 액체가 셀의 두 유연한 표면을 유압적으로 연결합니다. 이를 통해 두 표면 사이에 양방향 힘을 전달할 수 있습니다.

선형 기계식 액추에이터는 햅틱 엔진 역할을 하며, 유체를 변위시켜 힘 피드백을 제공하고 변형 가능한 인터페이스에 힘을 전달합니다. 인터페이스가 변형될 수 있도록, 동일한 엔진이 변형 가능한 인터페이스에 가해지는 힘에 반응하여 움직이며, 동시에 유압 셀 내부의 압력을 유지합니다. 이 압력은 조절 가능하여 다양한 강성 수준을 구현할 수 있습니다.

이러한 접근 방식을 통해 사용자는 진동, 날카로운 클릭 소리, 다양한 저항감을 느낄 수 있지만, 표면은 사용자가 어떻게 누르거나, 꼬집거나, 비틀더라도 자연스러운 부드러움과 유연성을 유지합니다. "지금까지는 단순히 불가능했던 일이죠."라고 연구 공동 책임자인 배스 대학교 컴퓨터 과학 박사 과정 학생 제임스 내쉬는 말했습니다.

따라서 사용자는 유연한 컴퓨터 마우스, 옷, 쿠션과 같은 물체를 꼬집거나, 두드리거나, 비틀 수 있으며, 그 물체는 조명을 어둡게 하거나, 화면을 변형하거나, TV 채널을 바꾸는 등 표현력 있고 의미 있는 방식으로 반응합니다.

사용자 입력은 내부 압력을 모니터링하여 감지할 수도 있습니다.

"사용자의 입력은 객체1을 통해 시스템에 감지되고, 사용자는 변형 가능한 표면을 통해 시스템의 햅틱 반응을 느낍니다."

- 연구 책임자는 바스 대학교 컴퓨터 과학과의 제이슨 알렉산더 교수입니다.

이러한 방식으로 하이드로햅틱스는 기존 방식으로는 실현 불가능한 부드럽고 변형 가능한 인터페이스에서 차별화된 햅틱 경험을 제공합니다.

하이드로햅틱스(HydroHaptics)를 통해 연구진은 일상적인 물건과의 촉각 기반 상호작용을 위한 흥미로운 가능성을 열어가고 있습니다. 이 기술은 게임, 웨어러블 기기, 의료 시뮬레이션, 제품 디자인 등 다양한 분야에 큰 도움이 될 수 있습니다.

차세대 인간-컴퓨터 상호작용

배스 대학의 컴퓨터 과학자 팀은 몇 주 전 ACM 사용자 인터페이스 소프트웨어 및 기술 심포지엄(UIST '25)에서 하이드로햅틱스에 대한 연구를 발표했으며, 해당 논문은 장려상을 수상했습니다.

현재 시스템은 원통형이며, 상단에는 실리콘으로 만들어진 변형 가능한 돔이 있어 셀의 노출된 윗면을 형성하고, 셀의 바닥 또한 유연한 실리콘 막으로 밀봉되어 있습니다. 셀 바로 아래에는 압력 센서와 DC 모터로 구동되는 스크류 캐리지가 있습니다.

사용자가 돔을 누르거나 쥐는 등의 동작을 하면 물이 밀려나면서 아래쪽 막을 누르고 늘어나게 됩니다. 센서는 이러한 압력 증가를 감지하여 해당 동작 및 명령과 연결합니다.

촉각 피드백을 제공하기 위해 이 장치는 모터를 사용하여 셀을 아래에서 압축하고, 이로 인해 돔이 사용자의 손가락에 위로 밀려 올라가 진동, 명확한 클릭 소리 또는 팽팽한 푸시 버튼과 같은 감각을 생성합니다.

연구팀은 HydroHaptics가 미세한 힘 피드백을 통해 상호 작용을 향상시키는 능력을 입증하기 위해 이를 네 가지 일상적인 응용 분야에 통합했습니다. 

사용자가 마우스 표면을 누르고 변형시켜 화면상의 디지털 개체를 조각할 수 있도록 하는, 부드러운 실리콘 돔이 있는 힘 증강형 변형 컴퓨터 마우스. 

촉각 피드백을 제공하면서도 부드러움을 유지하는 소형 인터랙티브 쿠션입니다. 쿠션 내부에 하이드로햅틱 파우치를 넣어 누르거나 쥐었을 때 스마트 기기를 제어할 수 있도록 했습니다.

어깨끈을 통해 몸에 가해지는 힘에 대한 피드백을 제공하는 백팩입니다. 어깨를 두드리거나 누르면 스마트폰 알림을 받을 수 있으며, 내비게이션에도 활용할 수 있습니다.

3D 프린팅 기술로 제작된 촉각 증강 조이스틱에 하이드로햅틱(HydroHaptic) 기술을 적용하여 비디오 게임 몰입도를 높였습니다. 게임 플레이 중 플레이어에게 햅틱 피드백을 제공하여 장력, 저항 또는 강한 충격을 시뮬레이션했습니다.

이러한 응용 사례들은 부드럽고 유연한 인터페이스와 사물에 고품질 햅틱 피드백을 최초로 통합한 것을 보여줍니다. 연구팀은 이 기술이 다양한 인터랙티브 기기에서 큰 잠재력을 가지고 있다고 보고 있습니다.

"우리의 실험 결과는 이 시스템이 인간이 부드러운 물체와 의미 있는 방식으로 상호작용할 수 있도록 해주는 신뢰할 수 있는 시스템이며, 우리의 삶과 업무 방식을 향상시킬 수 있음을 보여줍니다."

– 제이슨 알렉산더 교수

하이드로햅틱스의 잠재력을 설명하기 위해 그는 사용자가 기대고 있는 쿠션에서 TV 화면 속 상황을 그대로 느낄 수 있는 예를 들었습니다. 예를 들어, TV에서 자동차가 울퉁불퉁한 도로를 달릴 때 쿠션이 진동하거나, 누군가 벽에 부딪히면 쿠션이 단단해지는 것과 같은 방식입니다. 또 다른 예로는 백팩을 멘 사람이 어깨끈의 부드러운 조임 덕분에 내비게이션을 위해 휴대전화가 필요 없게 되는 경우를 들었습니다.

"이것들은 머지않은 미래에 이 기술이 우리 삶에 통합될 수 있는 수많은 방법 중 두 가지에 불과합니다."

-알렉산더 

연구팀은 자사 기술의 성능을 평가하기 위해 고정밀 로봇 팔을 이용한 일련의 기술 평가와 사용자 연구를 진행했습니다. 연구 과정에서 연구팀은 HydroHaptics 기술이 다양한 햅틱 효과를 구현할 수 있음을 입증했으며, 모든 효과에 대한 평균 식별 정확도는 82.6%, 가장 뚜렷한 효과에 대해서는 92.8%에 달했습니다. 

다른 연구팀들도 부드럽고 변형 가능한 인터페이스를 연구하며, 매우 국소적인 감각이나 다양한 수준의 저충실도 피드백을 보여주는 프로토타입을 제작했지만, 하이드로햅틱스 수준의 규모, 정밀도 및 해상도에는 도달하지 못했습니다.

연구팀은 자사 기술에 대한 관심이 긍정적인 신호라면 하이드로햅틱스 제품이 곧 시장에 출시될 수 있을 것으로 보고 있습니다. 알렉산더 교수는 "충분한 자원이 확보된다면 1~2년 안에 제품에 적용되는 것도 불가능한 일은 아닐 것"이라고 말했습니다.

하지만 물론, 팀은 먼저 햅틱 엔진을 개선하여 크기를 줄이고 상용 애플리케이션에 적합하도록 만들어야 합니다.

이 시스템에도 기술적인 한계가 없는 것은 아닙니다. 논문에서 언급했듯이, 시간이 지남에 따라 유압 셀 내부에 공기가 갇히거나 시스템으로 누출되어 성능이 저하될 수 있습니다. 또한, 높은 출력 압력으로 인해 상당한 전력이 필요하게 되므로 열 문제가 발생할 수 있습니다.

햅틱 엔진과 관련하여 연구팀의 접근 방식은 엔진이 견고해야 한다는 전제에 기반합니다. 유연한 튜브를 통해 분리할 수는 있지만, 인터페이스에 연결된 상태를 유지해야 하는데, 이는 완전히 변형 가능한 인터페이스에서는 항상 가능한 것은 아닙니다. 연구에서는 다음과 같이 지적했습니다.

"하이드로햅틱스는 완전히 변형 가능한 햅틱 힘 피드백 시스템을 구현한다는 장기 목표를 향한 의미 있는 진전이며, 향후 연구에서는 강체 부품의 수와 크기를 줄이는 데 초점을 맞춰야 합니다." 

햅틱 기술에 투자하기

텍사스 인스트루먼트 (TXN -1.59 %) is 반도체 대기업 이 회사는 개인용 전자제품, 자동차, 통신 장비, 산업 및 기업 시스템을 포함한 다양한 시장을 위한 아날로그 및 임베디드 프로세싱 칩을 개발합니다.

TI는 햅틱 산업에서도 주요 업체로서, 소비자 가전 및 산업 제품에서 촉각 피드백을 생성하기 위한 햅틱 드라이버, 터치스크린 컨트롤러 및 소프트웨어 라이브러리를 포함하는 통합 솔루션을 제공합니다.

텍사스 인스트루먼트 (TXN -1.59 %)

시가총액 160.5억 달러의 TXN 주가는 현재 176.93달러에 거래되고 있으며, 연초 대비 5.83% 하락했지만 4월 저점 이후로는 26.4% 상승했습니다. TXN 주가는 실제로 7월에 사상 최고가인 221.69달러를 기록했습니다.

텍사스 인스트루먼트(TI)의 주당순이익(EPS, 최근 12개월 기준)은 5.28달러이고 주가수익비율(P/E, 최근 12개월 기준)은 33.46배입니다. 주주들에게는 3.22%의 배당수익률이 제공됩니다. TI는 10월 16일 보통주 1주당 1.42달러의 분기 현금 배당을 발표했습니다. 지난달 배당금은 4% 인상되었으며, 이는 22년 연속 인상 기록입니다.

최근 실적 (2025년 2분기): 텍사스 인스트루먼트 신고 매출은 44억 5천만 달러(전년 동기 대비 16%, 전분기 대비 9% 증가), 순이익은 약 13억 달러, 주당순이익(EPS)은 1.41달러를 기록했습니다. 경영진은 3분기 매출 전망치를 44억 5천만 달러에서 48억 달러로 제시했습니다. 2025년 2분기까지의 잉여현금흐름(최근 12개월 기준)은 약 1.8억 달러였습니다.

맺음말

햅틱 기술의 세계가 확장되고 성장함에 따라, 하이드로햅틱스는 패러다임의 전환을 의미합니다. 우리는 어떻게 서로를 만지고, 또 어떻게 서로에게 만져질 것인가 기술을 통해 가능해졌습니다. 부드럽고 변형 가능한 인터페이스와 정밀한 힘 피드백을 결합함으로써, 이 기술은 우리가 기기 및 환경과 더욱 풍부하고 자연스럽게 상호작용할 수 있는 가능성을 열어주고 있습니다. 

몰입형 엔터테인먼트부터 의료 훈련, 스마트 홈에 이르기까지, 이 기술은 인간과 기계의 소통 방식을 재정의할 수 있습니다.

참조 :

1. Han, T., Anderson, F., Irani, P., & Grossman, T. (2018). 하이드로링: 액체 흐름을 이용한 혼합 현실 햅틱 지원. In 제31회 ACM 사용자 인터페이스 소프트웨어 및 기술 심포지엄(UIST '18) 회의록 (913~925쪽). 컴퓨터학회지. https://doi.org/10.1145/3242587.3242667
2. Sanz Cozcolluela, A., & Vardar, Y. (2025). 부드러운 유압식 햅틱 링을 사용하여 다중 모달 질감을 생성합니다. 엘스비어 BV. https://doi.org/10.2139/ssrn.5170637
3. 슐츠, C., & 해리슨, C. (2023). 평면 패널 햅틱: 확장 가능한 형태 디스플레이를 위한 내장형 전기삼투 펌프. In 2023년 CHI 컴퓨팅 시스템의 인적 요소에 관한 컨퍼런스 회의록 (제745조). 컴퓨터학회. https://doi.org/10.1145/3544548.3581547
4. Nash, JD, Sauvé, K., van Riet, CM, van Oosterhout, A., Sharma, A., Clarke, C., & Alexander, J. (2025). 하이드로햅틱스: 정수압 전달을 이용한 부드럽고 변형 가능한 인터페이스에서의 고정밀 힘 피드백. A. Bianchi, E. Glassman, WE Mackay, S. Zhao, J. Kim, & I. Oakley (편저) 제38회 ACM 사용자 인터페이스 소프트웨어 및 기술 연례 심포지엄(UIST '25) 회의록 (제59조). 컴퓨터학회지. https://doi.org/10.1145/3746059.3747679