인간과 유사한 바이오 스킨: 로봇에 훨씬 더 미묘한 촉각을 제공한다.

 

한밤중에 물 한 잔을 마시기 위해 부엌으로 비틀거리며 들어갈 때 나는 촉각에 의존한다. 어둠 속에서도 내 손가락은 계단을 알려주는 난간, 벽, 캐비닛 손잡이의 곡률, 결국 유리를 느낄 수 있다.

우리 인간은 매우 시각적인 생물이지만, 우리의 피부에는 커피 한 잔을 마시고, 너무 익은 바나나의 껍질을 벗기고, 다시 생각하지 않고 키보드를 입력할 수 있는 정교한 내장 시스템이 있다.

이러한 민첩성의 일부는 힘의 분리에서 비롯된다. 피부의 일부 구성 요소는 외부 세계의 직접적인 힘(예: 압력이나 꼬집음)을 감지한다. 다른 사람들은 초대형 머그잔을 잡기 위해 손을 펼칠 때와 같이 피부가 늘어나는 것을 느낀다.

 

이제 중국과 싱가포르 팀은 인공 피부에서 이러한 특성을 요약했다. 3DAE-Skin이라 불리는 3차원 전자 피부는 분업을 모방하여 피부와 같은 다층 구조를 채택한다.

팀은 미세 가공 기술을 사용하여 인간의 엄지손가락 끝 크기 정도의 유연한 장치를 설계했다. 이 장치는 인간과 유사한 해상도로 다양한 유형의 힘을 감지할 수 있다.

데이터를 수집하고 이를 맞춤형 딥러닝 알고리즘으로 처리하는 전기 회로와 결합하면 피부는 촉감의 작은 차이를 구분할 수 있다. 한 연구에서는 눈을 가렸지만 노련한 식료품 쇼핑객처럼 한두 번 짜서 여러 과일의 익은 정도를 측정하고 크로와상이나 케이크가 너무 오래되었는지 여부를 찔러서 결정했다.

 

로봇 식료품 쇼핑객은 매력적이지만 목표는 거의 없다. 이 전략은 인간 피부의 구조를 모방하는 것이 "느낌"을 주는 전자 부품을 만드는 유망한 방법임을 시사한다.

예를 들어 로봇이나 의수에 내장되면 장치는 다양한 표면 유형을 식별할 수 있다. 현재는 손가락 끝을 모방하지만 피부는 다른 부속 기관이나 비인간형 로봇 시스템에 사용될 수 있어 예를 들어 고르지 않은 지형을 탐색하거나 로봇 보조 수술에 도움이 될 수 있다. 결과는 사이언스(Science)에 게재되었다.

 

 

3층 케이크

우리의 피부는 신체에서 가장 큰 기관이지만 피부 관리 외의 피부 관리와 가끔 긁히는 긁힘은 종종 무시된다.

하지만 생명공학자들에게 피부는 경이로운 존재이다. 모든 인치에는 온도, 통증, 압력, 진동 및 스트레칭을 측정하는 수많은 센서가 내장되어 있다. 촉각을 위해 특별히 식별된 6개의 센서가 있으며, 이들은 영리한 방식으로 피부 전체에 분산되어 있다.

 

크레이프와 달리 피부는 3층 케이크에 가깝다. 최상층에는 온도 변화와 다양한 유형의 촉각을 감지하는 센서가 흩어져 있다. 말이 된다: 뜨거운 팬이나 바늘에 찔린 부위에서 손을 즉시 움직여야 하는 경우 이러한 생물학적 센서를 표면에 더 가까이 두는 것이 좋다. 그러나 최상층 피부 세포는 지속적으로 재생되며 표면에 너무 가까운 센서는 빠르게 제거될 위험에 직면한다.

 

유망한 센서 그룹은 메르켈 셀(Merkel cell)이라고 불리며, 최상층과 중간층 사이에 위치하며 찌르거나 꼬집는 것과 같은 외부 힘을 쉽게 감지한다. 이 세포는 밀고 당기는 기계적 데이터를 뇌로 전송되는 전기 펄스로 변환한다. 더 많은 처리를 통해 메르켈 세포는 물체의 구조와 전체적인 질감에 대한 일반적인 "느낌"을 만들 수 있다.

 

더 깊은 곳이지만 여전히 피부의 중간층에는 루피니 엔딩(Ruffiniending)이라는 센서가 있다. 이 세포는 즉각적인 접촉 감각에 별로 신경을 쓰지 않는다. 오히려 그들은 피부가 얼마나 늘어나는지 관찰한다. 예를 들어, 손을 발톱으로 구부릴 때 외부 자극이 없더라도 이러한 세포 덕분에 피부의 긴장을 느낄 수 있다.

두 센서 모두 피부의 3차원 구조에 퍼져 있다. 이 설정을 모방하면 찌름과 스트레칭을 동시에 느끼는 전자 인공 피부를 개발할 수 있다고 팀은 논문에 썼다.

 

3DAE-스킨을 만나보라.

인공 피부는 3개의 층으로 구성되어 있으며 각 층의 두께는 인간의 피부와 비슷하다.

피부의 감지 구성 요소와 전기 회로의 대부분은 최상층과 중간층 사이에 내장되어 있다. 힘 센서는 메르켈 세포처럼 작동하여 즉각적인 터치 신호를 전송한다. 이와 대조적으로 스트레인 센서는 루피니 엔딩과 유사하며 스트레치 신호를 보낸다.

 

완성된 인공피부는 개별 단위로 구성된다. 각 레이어에는 2개의 힘 감지 구성 요소와 2개의 변형 감지 구성 요소, 그리고 그 사이에 안정화를 위한 5개의 "버퍼" 레이어가 포함된 9개의 레이어가 있다.

 

다음으로 팀은 이 모든 것을 신축성 있는 생체 적합성 소재의 유연한 두 층 사이에 끼워 넣었다. 이 장치는 비틀림, 꼬집음 및 기타 피부 변형을 견딜 수 있으며 일반 인간 피부와 마찬가지로 압력과 긴장을 감지할 수 있다.

 

다음은 통신이었다. 팀은 표면층에 각인된 데이터 수집 회로와 신호 처리 허브를 추가했다. 허브는 장치에 있는 모든 240개 센서의 데이터를 시각화하고 다양한 유형의 힘과 힘의 출처를 해독한다. 전체 장치는 엄지 손가락 끝 크기이다.

 

마지막으로 연구원들은 수집된 데이터를 터치 예측으로 변환하는 AI를 개발했다. 그들은 공, 튜브 또는 종이와 같은 51개의 간단한 모양 샘플과 각 모양이 압력에 어떻게 반응하는지에 대해 알고리즘을 훈련시켰다. 모양이 유지될까, 아니면 빠르게 변형될까?

 

"물체를 만질 때 인간의 손가락 끝은 일반적으로 우리가 만지는 것의 부드러움과 모양을 추론하기 위해 느낌에 의존한다"라고 팀은 논문에서 설명했다.

간단해 보이지만 어려운 계산이다. 아보카도를 짜서 익었는지 확인하듯이, 얼마나 짜야 할지, 언제 멈춰야 할지를 알아야 한다.

 

거의 30,000가지 시나리오를 훈련한 후 AI는 물체(예: 너무 익은 바나나)를 잡는 데 필요한 힘을 예측할 수 있다. 인간의 손가락 끝처럼 물체가 그립을 미세 조정하기 위해 모양을 얼마나 왜곡했는지 감지할 수 있다.

 

한 테스트에서 팀은 전자 피부가 장착된 클램프 모양의 프로브를 연결하고 덜 익은 자두와 잘 익은 자두를 압착했다. AI는 과일이 상대적으로 유사해 보임에도 불구하고 둘 사이를 쉽게 식별할 수 있었다. 또 다른 테스트에서는 클램프가 질기고 오래된 롤빵에서 신선한 롤빵을 쉽게 감지했다.

 

인공 피부를 만들 때 가장 먼저 떠오르는 용도는 식료품 구입이 아니다. 그러나 연구에 따르면 AI를 사용하여 인간 피부의 생물학을 모방하면 로봇 공학 및 보철을 위한 더 나은 인공 피부를 만들 수 있다는 것이 밝혀졌다. 이러한 생체 영감을 받은 3D 디자인은 점점 더 정교해지는 미세 가공 기술과 결합되어 다양한 감각을 처리하기 위해 인간 피부의 해상도와 일치하는 생체 적합 소재의 기준을 높인다.

 

3DAE-Skin은 손가락 끝을 모방하기 위해 개발되었지만 "설계 및 제조 방법은 확장 가능"하며 다른 유형의 보철 및 로봇 시스템에 사용될 수 있다고 팀은 썼다.

이미지 출처: 칭화대학교