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고감도 생체모방형 촉각센서 (Biomimetic Tactile Sensor) 연구

 

  과학기술은 산업혁명이후 비약적으로 발전하며 현대에 도달하였지만 인간은 여전히 많은 것을 모르고 있으며 여러 가지 과학적 문제들을 해결하지 못하고 있다. 자연은 수십억년 동안 다양한 생물종들의 진화과정을 통해 완성된 결정체이다. 이런 자연으로부터의 영감을 통해 기존의 기술적 한계를 극복해가고자 하는 시도가 생체모방 기술이다. 생체모방 기술은 기존의 공학적 기술보다 더 생체 친화적이고 친환경적으로 다양한 해결방법을 제시하고 있다. 현재 생체모방 연구는 신소재, 로봇, 인고지능, 새로운 기능의 구조, 인공장기, 센서 등 다양한 분야에서 이루어지고 있으며 본 연구실에서는 이 중 생체모방형 촉각센서 연구, 개발에 주력하고 있다.

 

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Fig. 1. 다양한 생체모방 기술

 

연구 목적

  촉각은 인간의 오감 중 하나로 물리적 외부환경 자극을 감지하여 접촉을 인지하는 감각으로 신체 부위 중에서도 손의 촉각은 대뇌의 체성 감각영역에서 가장 큰 영역을 차지하고 있다. 생체모방형 촉각센서는 인간의 촉각 기관의 구조와 기능을 모방하여 인간이 촉각세포를 통해 느끼는 다양한 정보(압력, 진동, 온도 등)를 감지하는 센서로 인간이 느끼는 촉각을 그대로 구현하여 접촉물의 정확한 표면 상태를 검출할 수 있는 센서이다.

  기존의 촉각센서는 단순 압력 및 압력 분포만을 감지하는 한계를 가지고 있고 일부 접촉물의 표면 상태 감지가 가능한 압력 센서 연구와 광센서를 통한 표면 거칠 분석 연구가 있었으나 인간이 느끼는 접촉물의 다양한 표면 정보(접촉 압력, 거칠기, 형태, 점탄성, 경도, 온도 등)를 감지할 수는 없는 상태이다.

  생체모방형 촉각센서는 인간이 느끼는 접촉물의 다양한 정보를 그대로 감지할 수 있는 센서로 차세대 응용센서 중 광범위하게 적용 되어질 것으로 예측되며 인공피부, 의수, 의료용 및 산업용 기기, 인공지능형 로봇, 다양한 휴대기기용 고기능성 입력인터페이스, 원격 질감 전달을 통한 가상현실구현 등 다양하게 적용될 수 있다.

 

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 Fig. 2. 생체모방형 촉각 센서의 활용

연구 내용 및 목표

  촉각은 인간의 오감 중 하나로 물리적 외부환경 자극을 감지하여 접촉을 인지하는 감각으로 신체 부위 중에서도 손의 촉각은 대뇌의 체성 감각영역에서 가장 큰 영역을 차지하고 있다. 인간은 물체와 접촉하여 피부와 지문에 의해 진동이 발생하고 이는 피부내의 촉각 수용체인 머켈(Merkel cell), 마이스너(Meissner corpuscle), 루피니(Ruffini corpuscle), 파시니안(Pacinian corpuscle)으로 전달되어 압력, 미세 피부 진동, 피부 인장, 온도를 감지하게 된다. 머켈과 루피니는 지속자극에 민감한 SA(Slow Adapting) 특성을 나타내며 마이스너와 파시니안은 변화 자극에 민감한 FA(Fast Adapting) 특성을 나타내며 서로 다른 깊이에 분포하며 서로 다른 자극에 민감하게 반응한다.

 

 

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Fig. 3. 인간의 촉각 소체의 기능과 생체 전달 신호 특징 

 

본 연구실에서는 이런 인간의 촉각 전달 과정를 기반으로 생체의 지문과 4개의 촉각소체의 구조와 기능을 모방하여 촉각소체의 신경전달 신호 특성을 그대로 구현하여 인간이 느끼는 다양한 촉각을 구현할 수 있는 생체모방형 촉각센서 개발을 목표로 하고 있다.

  구체적으로는 초고감도 압력센서 연구, 센서 표면에 생체의 지문구조를 모방하여 미세 표면 거칠기를 감지 특성을 향상시키는 연구, 접촉물 표면 특성을 분석하는 연구, 촉각 수용체 기능을 모방한 다양한 촉각 센서 연구, 각각의 촉각소체가 발생시키는 신경 전달 신호를 구현하는 연구를 진행하고 있다.

 

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