카메기멜론대(Carnegie Mellon University) 연구진이 로봇 손에 사용하기에 매우 적합한 새로운 종류의 신축형 광학 센서와 다수의 광섬유 센서를 내장한 유연한 세 손가락 로봇 손을 개발했다. 

광섬유를 이용한 연구진은 로봇 손의 각각의 손가락마다 14개의 변형 센서를 내장할 수 있었고, 그 결과 손가락 끝이 접촉한 곳을 측정할 수 있었으며, 10분의 1뉴턴 미만의 힘도 검출할 수 있었다. 또한 현재의 로봇 손에 아직은 통합되지 않은 새로운 신축성 광학 센서 재료는 유연한 로봇 피부에 이용되어 훨씬 더 많은 피드백을 제공할 수 있을 것이다. “로봇이 자율적으로 일하기를 원하고 일상 환경에서 예상치 못한 힘에 대해 안전하게 반응하기를 원한다면, 오늘날의 일반적인 것보다는 더 많은 센서를 가진 로봇 손이 필요하다. 인간의 피부에는 손가락 끝에만 수천 개의 촉각 감지 단위들이 내포되어 있고, 거미는 다리마다 수백 개의 기계적 자극 수용기(mechanoreceptors)들을 갖고 있지만, 나사(NASA)의 로보노트(Robonaut)와 같은 최첨단 인간형 로봇조차도 손과 허리에 겨우 42개의 센서만 갖고 있다”고 로봇공학 조교수인 박영래(Yong-Lae Park)는 말했다. 

전통적인 압력 센서나 힘 센서들을 추가하는 것이 문제가 되는 이유는 배선이 복잡할 수 있고, 끊어지기 쉽고, 전기모터와 다른 전자기 장치로부터의 간섭에 취약하기 때문이다. 그러나 하나의 광섬유에는 여러 센서가 포함될 수 있다. 카네기멜론대에서 개발한 손의 각각의 손가락에 있는 모든 센서들은 4개의 광섬유로 연결되어 있지만, 이론적으로는 하나의 광섬유가 그 일을 할 수 있다고 박교수는 말했다. 9월 29일 독일 함부르크에서 열린 IEEE 지능형로봇시스템 국제학술회의(International Conference on Intelligent Robots and Systems)에서 카네기멜론대 연구진은 나사의 지원을 받아 IFOS(Intelligent Fiber Optic Systems Corp.)사의 연구진과 공동으로 개발한 로봇 손에 대해 논의했다. 고도의 신축성을 가진 광학 센서에 관한 보고는 같은 학회에서 10월 1일에 발표되었다. 

로봇 손의 각각의 손가락들은 손가락 끝, 중간 마디, 그리고 기부 마디가 관절에 의해 연결된 사람 손가락의 골격 구조를 모방했다. 3D 인쇄된 단단한 플라스틱인 골격 “뼈”는 힘을 감지하기 위해 8개를 센서를 포함하고 있다. 각각의 세 구간들은 어디에 접촉되었는지를 검출하는 총 6개의 센서들이 내장된 부드러운 실리콘 고무 피부로 덮였다. 하나의 능동 힘줄(active tendon)이 손가락을 구부리는 역할을 하고, 수동 탄성 힘줄은 손가락을 펴기 위한 반대방향의 힘을 제공한다. 기계공학 학생인 레오 지앙(Leo Jiang)과 케빈 로우(Kevin Low)의 도움으로 개발된 이 손은 상용으로 구할 수 있는 광섬유 브래그 회절격자(FGB) 센서들을 포함하고 있으며, 이 센서들은 광섬유에 의해서 반사된 빛의 파장 변화를 측정하여 변형을 검출한다. 

그 장점에도 불구하고 재래식 광학 센서들은 많은 신축성이 없다. 유리 광섬유는 거의 늘어나지 않으며, 심지어 폴리머 광섬유조차도 대개 20 ~ 25%만 늘어난다고 박 교수는 말했다. 이러한 특성은 광범위한 운동이 필수적으로 요구되는 손과 같은 장치에서는 제한요인이 된다. 이전에 박 교수는 고도로 신축성이 있는 유연한 마이크로유체 센서들을 개발한 바 있지만, 액체 전도체가 채워진 채널들을 통해 변형을 측정하는 박막이었던 그 센서들은 제조하기가 어렵고 액체가 누출되면 엉망이 된다. 

그래서 카네기멜론대의 기계공학도 셀레스테 토(Celeste To)와 텍사스대의 테스 리(Tess Lee)와 함께 연구하고 있는 박 교수는 상용으로 구할 수 있는 실리콘 코무의 조합을 이용하여 고도로 신축성이 있고 유연한 광학 센서를 발명했다. 이러한 유연한 도파로에는 반사성 금으로 선이 그려져 있다. 실리콘이 늘어나면, 반사 층에 균열이 발생되고, 그 결과 빛이 탈출할 수 있게 된다. 빛의 손실량을 측정함으로써, 연구진은 응력이나 다른 변형을 측정할 수 있었다. 이런 종류의 광학 센서는 유연한 피부에 통합될 수 있을 것이라고 박교수는 말했다. 그와 같은 피부는 접촉을 검출할 수 있을 뿐만 아니라, 카네기멜론대의 손에 있는 유연한 부품들과 마찬가지로 힘도 측정할 수 있을 것이다.  

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』