미국 코넬 대학교 연구팀이 광섬유 센서가 탑재된 로봇 장갑을 설계했다. (사진. Cornell University)
미국 코넬 대학교(Cornell University) 오가닉 로보틱스 연구소(Organic Robotics Lab)의 연구원은 빛을 사용하는 신축성 광섬유 센서가 탑재된 3D 프린팅 장갑을 설계, 실시간으로 다양한 변형을 감지할 수 있도록 했다. 연구원들은 LED와 염료를 결합한 광섬유 센서를 만들어 압력, 굽힘과 같은 변형을 감지하는 신축성 있는 피부를 만들어냈다.
이 센서는 부드러운 로봇 시스템과 증강현실 기술을 사용하는 모든 사람에게 포유류가 자연 세계를 탐색하는 데 사용하는 것과 동일한 풍부하고 촉각적인 감각을 느낄 수 있는 능력을 제공한다. 연구원들은 물리치료 및 스포츠 의학용 기술을 상용화하기 위해 노력하고 있다.
이번 프로젝트는 2016년 Shepherd’s Organic Robotics Lab에서 만든 이전의 신축성 센서를 기반으로 한다. 센서에서 빛은 광 도파관을 통해 전송되고 광 다이오드는 빔 강도의 변화를 감지해 재료가 변형된 시기를 결정한다. 연구실은 광학 레이스 및 폼과 같은 다양한 유사한 감각 재료를 개발해냈다.
새로운 프로젝트에서 연구진들은 습도, 온도 및 변형률의 변화와 같은 여러 속성을 식별하는 방법을 미세한 파장 변화를 감지하는 실리카 기반 분산 광섬유 센서에서 영감을 얻었다. 그러나 실리카 섬유는 부드럽고 신축성 있는 전자 제품과 호환되지 않았으며, 지능형 소프트 시스템은 자체 구조적 문제를 나타냈다.
연구진은 “연질 물질은 매우 복잡하고 조합적인 방식으로 변형될 수 있다. 우리는 이들을 분리할 수 있는 센서를 원했다”라고 전했다.
연구 관계자들은 이번 해결책으로 다중 모드 감지(SLIMS)를 위한 신축성 있는 광 가이드를 만드는 것을 제시했다. 이 긴 튜브에는 한 쌍의 폴리우레탄 탄성 코어가 들어 있으며, 하나의 코어는 투명하고, 다른 하나는 여러 위치에서 흡수 염료로 채워져 LED에 연결된다. 각 코어는 적색-녹색-청색 센서 칩과 결합돼 빛의 광학 경로의 기하학적 변화를 등록한다.
듀얼 코어 디자인은 공간 인코더 역할을 하는 염료를 켜서 센서가 압력, 굽힘 또는 신장과 같은 다양한 변형을 감지할 수 있는 출력 수를 증가시킨다. 연구팀은 이 기술을 다양한 변형을 분리하거나 분리하고 정확한 위치와 크기를 정확히 찾아 낼 수 있는 수학적 모델과 결합했다.
분산 광섬유 센서에는 고해상도 감지 장비가 필요하지만 SLIMS 센서는 해상도가 낮은 소형 광전자 장치로 작동할 수 있다. 따라서 비용이 저렴하고 제조가 간단하며 소규모 시스템에 더 쉽게 통합된다. 대표적으로 SLIMS 센서를 로봇의 손에 통합해 미끄러짐을 감지할 수 있다.
이 기술은 착용 가능하다. 연구원들은 각 손가락을 따라 움직이는 SLIMS 센서가 있는 3D 프린트 장갑을 설계했는데, 리튬 배터리로 구동되는 이 글러브는 블루투스를 활용, 기본 소프트웨어로 데이터를 전송할 수 있으며, 글러브의 움직임과 변형을 실시간으로 재구성할 수도 있다.
연구 관계자는 “이 스킨은 우리 자신과 기계가 현재 휴대폰에서 카메라를 사용하는 방식으로 촉각 상호작용을 측정할 수 있는 방법이다”라고 전했다.
연구원들은 SLIMS 센서가 가상 및 증강현실 경험을 향상시킬 수 있는 방법을 조사하고 있다. 연구 관계자는 “VR 및 AR 몰입은 모션 캡처를 기반으로 한다. 자동차를 수리하거나 타이어를 교체하는 방법을 알려주는 증강현실 시뮬레이션을 원한다고 가정한다면, 움직임뿐만 아니라 압력을 측정할 수 있는 장갑이나 무언가가 증강 현실 시각화에서 돌았다가 멈춰서 ‘러그 너트를 과도하게 조이지 마십시오’라고 경고할 수도 있다”라고 전했다.
