손끝으로 잇는 가상과 현실…초경량 피부 부착형 햅틱 기술 개발

작성일 09-07

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 단일 형상기억합금 액추에이터를 착용한 연구원이 시야가 가려진 상태에서 오렌지의 위치를 찾아내는 모습. 카네기멜론대 제공.
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 피부에 직접 부착할 수 있는 골무 크기의 초경량 햅틱(Haptic) 인터페이스 기술이 개발됐다. 햅틱은 사용자가 가상 또는 실제 환경에서 느끼는 물리적인 접촉, 압력, 진동, 힘과 같은 감각을 총칭하는 용어다. 개발된 기술이 상용화되면 가상현실(VR)부터 일상생활까지 촉각 경험의 영역을 확장하는 데 도움이 될 것으로 기대된다.
 카멜 마이지디 미국 카네기멜론대 기계공학과 교수 등 공동연구팀은 가볍고 유연하며 피부에 부착 가능한 촉각 인터페이스를 개발하고 연구결과를 2일(현지시간) 국제학술지 '네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)'에 발표했다. 
 이번 연구에는 오세웅 KAIST 기계공학과 교수와 강범찬, 오수빈 카네기멜론대 기계공학과 박사과정생 등 한국인도 여럿 참여했다. 
 연구팀이 개발한 장치는 기존의 크고 무거운 장갑형 장비와 달리 골무 크기의 초경량 구조로 피부에 직접 부착할 수 있어 착용이 간편하다.
 장치의 핵심은 움직임을 만들어내는 구동 장치인 '액추에이터'다. 연구팀은 열을 받으면 특정 모양으로 변형되는 '단일 형상기억합금(SMA) 액추에이터'만으로 여러 동작을 구현하는 데 성공했다. '니티놀(Nitinol)'이라는 니켈-티타늄 합금을 이용해 단일 형상기억합금 액추에이터를 만들었다.
 단일 형상기억합금 액추에이터는 뱀 모양의 구불구불한 서펜타인 구조로, 하나의 액추에이터가 다양한 움직임을 만들어낸다. 여러 개의 액추에이터가 필요한 기존 시스템보다 훨씬 다양한 움직임을 구현한다.
 단일 형상기억합금 액추에이터는 밀기, 당기기, 옆으로 미는 힘, 회전, 사선 움직임 등 11가지 방향의 촉각 자극을 피부에 전달한다. 단순한 진동을 주는 기존 장치와 달리 다양한 감각을 표현할 수 있어 사용자가 가상 물체를 실제처럼 느낄 수 있는 몰입감을 제공한다. 
 연구팀은 "기존의 크고 뻣뻣한 장비를 대체해 가상 및 실제 환경에서 미묘한 촉각 피드백을 제공한다"며 "사용자 경험을 더욱 자연스럽고 몰입감 있게 만드는 것이 목표"라고 설명했다. 가볍고 유연한 디자인 덕분에 착용이 간편하다. 무선 제어 시스템을 통해 컴퓨터나 가상현실(VR) 헤드셋과도 연결된다. 
 연구팀은 VR, 일상생활, 보조기술 등에서 개발한 기술의 활용성을 입증했다. VR 환경에서는 사용자가 가상 물체를 만질 때 장치가 피부에 눌림 압력을 가해 실제로 손끝에 물체가 닿는 듯한 감각을 전달한다. 연구팀은 "액추에이터가 여러 방향으로 움직이며 이런 반응을 만들어내, 기존의 단순한 진동과 달리 훨씬 현실적이고 몰입감 있는 체험이 가능해졌다"고 말했다. 
 일상생활 시연을 위해 액추에이터를 카메라와 연동시킨 다음 그림을 벽에 거는 실험을 진행했다. 카메라가 그림의 기울기와 위치를 인식하면 장치는 손끝에 촉각 신호를 보내 사용자가 정확하게 그림을 걸 수 있도록 위치를 안내했다. 그림이 목표 위치에 정확하게 맞춰지면 단일 형상기억합금 액추에이터가 사용자에게 '꾹' 눌리는 자극을 전달해 완성 신호를 알렸다. 
 연구팀은 "촉각 피드백이 시끄러운 환경이나 공공장소에서 말로 하는 지시를 대신할 수 있는 사적이고 유용한 안내 수단이 될 수 있다"고 덧붙였다. 
 시각 장애가 있는 사용자가 탁자 위에서 특정 물건을 찾는 실험도 진행했다. 액추에이터는 특정 물건이 있는 쪽으로 이동하도록 신호를 반복적으로 보내 사용자가 물건이 있는 방향을 가늠하도록 도왔다. 사용자는 신호를 따라 손을 움직였고 물건을 직접 집어 들었다. 시각장애인의 감각을 보완하고 손이 자유로운 내비게이션 수단으로 활용될 수 있다는 게 연구팀의 설명이다. 
 마이지디 교수는 "이 장치가 앞으로 로봇에게 복잡한 작업을 가르치거나 원격 정밀 수술을 지원하는 등 다양한 분야로 확장될 수 있을 것"이라고 말했다.
 &lt;참고 자료&gt; - doi.org/10.1038/s41928-025-01443-w
 [정지영 기자 jjy2011@donga.com]
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