발걸음부터 미세한 세포 움직임까지 포착하는 3D 촉각 인식장치가 개발됐다.

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 나노의학 연구단 박장웅 연구위원(연세대학교 신소재공학과 교수) 연구팀은 연세대학교, 한양대학교, KAIST와 공동으로 큰 힘부터 초미세 압력까지 3차원으로 감지하는 고해상도 촉각 인식장치를 개발하고 인식장치에 압력을 감지하는 발광물질을 결합했다.

촉각은 피부에 닿아서 느끼는 감각이며 압각(압력), 온각(따뜻함), 냉각(차가움), 통각(아픔) 등이 있다. 인간의 감각 중 가장 원시적인 감각인 촉각을 직관적으로 측정하고 표현하는 장치를 촉각 인식장치라고 한다. 최근 온도, 소리, 빛 등을 피부로 감지하고 데이터화하는 다양한 인식장치가 개발되고 있다.

3D 촉각 인식장치 내에 센서 개수가 많고 조밀하게 배열될수록 보다 세밀하게 촉각을 감지할 수 있다. 기존에는 이웃한 센서 간의 간섭이 심해 조밀하게 배열하는 것이 어려웠지만 이번 연구로 압력에 따라 두께가 변화하는 물질을 이용한 트랜지스터 센서를 개발해 센서 간 간섭 없이 조밀한 배열이 가능하도록 했다. 이는 촉각을 고해상도로 세밀하게 감지할 수 있도록 해준다.

연구팀은 사람 머리카락 단면(약 0.4㎟)보다 작은 면적에 가로 20줄, 세로 20줄의 정사각형 형태로 총 400개의 센서를 배열해 3D 촉각 인식장치를 개발하고 장치가 잘 작동하는지 실험을 진행했다.

우선, 50kg의 사람이 굽 반경 1cm 구두를 신고 인식장치를 밟았을 때 굽에 가해지는 압력의 면적과 세기가 인식장치에 실시간으로 표시됨을 확인했다. 또한, 사람 심장세포의 움직임을 3차원으로 측정해 심장세포 하나가 박동할 때의 압력이 구두 굽으로 밟는 힘보다 약 10,000배 미세함을 확인했다.

추가적으로 연구팀은 3D 촉각 인식장치에 촉각을 감지하면 스스로 빛을 내는 화학물질을 결합시켜 3차원 촉각 분포를 맨눈으로 쉽게 관찰할 수 있도록 했다. 촉각을 시각화함으로써 촉각 인식장치에 대한 사용자 경험을 효과적으로 증대시켰다.

이전에는 목적에 따른 특정 압력 범위만 좁게 측정이 가능했지만 이번에 개발한 3D 촉각 인식장치로 발걸음같은 큰 힘부터 세포 움직임같은 초미세 압력까지 넓은 스펙트럼의 힘 감지가 가능해졌다. 이는 넓은 감지 범위를 갖는 기존의 인식장치에 비해 약 100배 이상 정밀도를 향상시킨 것으로 전자기기 산업부터 건강관리 및 의료 분야까지 다양하게 활용될 수 있다.

박장웅 연구위원은 “향후 심장 박동 및 혈압 등을 모니터링하는 장치를 개발하고 신체 정보를 데이터화 해 인공지능 진단 등에 활용할 계획”이라며, “폭넓은 활용을 위해 촉각뿐만 아니라 단백질 정보까지 함께 감지할 수 있는 장치도 후속 연구로 개발 중”이라고 덧붙였다.

이번 연구결과는 국제 학술지 나노 레터스(Nano Letters, IF 12.279)에 15일 오후 6시(한국시간) 표지 논문으로 게재됐다.

논문명은 ‘Mechanoluminescent, air-dielectric MoS2 transistors as active-matrix pressure sensors for wide detection ranges from footsteps to cellular motions’, 저자는 Jiuk Jang, Hyobeom Kim, Sangyoon Ji, Ha Jun Kim, Min Soo Kang, Tae Soo Kim, Jong-eun Won, Jae-Hyun Lee, Jinwoo Cheon, Kibum Kang, Won Bin Im, Jang-Ung Park 등이다.