비즈니스 기회
인간 피부와 같은 '바이오 스킨'
한밤중에 물 한 잔을 마시기 위해 부엌으로 비틀거리며 들어갈 때, 나는 촉각에 의존합니다. 어둠 속에서도 내 손가락은 계단을 알려주는 난간, 벽, 캐비닛 손잡이의 곡률, 그리고 결국에는 유리를 느낄 수 있습니다.
우리 인간은 시각적인 동물이지만, 피부에는 커피 한 잔을 마시거나, 너무 익은 바나나 껍질을 벗기거나, 아무 생각 없이 키보드로 입력할 수 있는 정교한 시스템이 내장되어 있습니다.
이러한 손재주의 일부는 권력 분립에서 비롯됩니다. 피부의 일부 구성 요소는 외부 세계의 직접적인 힘(예: 압력 또는 꼬집음)을 감지합니다. 다른 사람들은 손을 펴서 초대형 머그잔을 잡을 때처럼 피부가 늘어날 때 느낍니다.
이제 중국과 싱가포르의 연구팀이 이러한 특성을 인공 피부로 재현했습니다. 분업을 모방한 3DAE-Skin이라고 불리는 3차원 전자 스킨은 피부와 같은 다층 구조를 채택합니다.
연구팀은 미세 가공 기술을 사용하여 인간의 엄지손가락 끝과 비슷한 크기의 유연한 장치를 설계했으며, 이 장치는 인간과 유사한 해상도로 다양한 유형의 힘을 감지할 수 있습니다.
데이터를 수집하고 맞춤형 딥 러닝 알고리즘으로 처리하는 전기 회로와 결합하면 피부는 촉각의 미세한 차이를 구별할 수 있습니다. 한 연구에서는 눈을 가렸지만 노련한 식료품 쇼핑객처럼 한두 번 짜서 여러 과일의 익은 정도를 측정하고 크루아상이나 케이크가 찌르면 너무 오래되었는지 여부를 결정했습니다.
매력적이기는 하지만 로봇 식료품 쇼핑객이 목표는 아닙니다. 이 전략은 인간 피부의 구조를 모방하는 것이 "느낌"이 있는 전자 부품을 만드는 유망한 방법임을 시사합니다.
예를 들어, 로봇이나 의수에 내장되면 장치는 다양한 유형의 표면을 식별할 수 있습니다. 그리고 현재는 손가락 끝을 모방하고 있지만, 피부는 다른 부속물이나 비인간형 로봇 시스템에 사용될 수 있으며, 예를 들어 고르지 않은 지형을 탐색하거나 로봇 보조 수술에 도움이 될 수 있습니다.
3단 케이크
피부는 신체에서 가장 큰 기관이지만 피부 관리와 가끔 긁힌 자국을 제외하고는 종종 무시됩니다.
그러나 생명공학자들에게 피부는 경이로움입니다. 모든 인치에는 온도, 통증, 압력, 진동 및 스트레칭을 측정하는 수많은 센서가 내장되어 있습니다. 촉각을 위해 특별히 확인된 6개의 센서가 있으며, 이 센서들은 영리한 방식으로 피부 전체에 분포되어 있습니다.
크레이프와 달리 껍질은 3층 케이크와 비슷합니다. 상단 레이어에는 온도 변화와 다양한 유형의 터치 감각을 위한 센서가 흩어져 있습니다. 뜨거운 팬이나 바늘로 찌르는 곳에서 즉시 손을 움직여야 하는 경우 이러한 생물학적 센서가 표면에 더 가까이 있는 것이 좋습니다. 그러나 최상층 피부 세포는 지속적으로 재생되며, 표면에 너무 가까운 센서는 빠르게 제거될 위험이 있습니다.
유망한 센서 그룹은 메르켈 셀(Merkel cell)이라고 불리는데, 이 셀은 상층과 중간층 사이에 위치하여 찌르거나 꼬집는 것과 같은 외력을 쉽게 감지합니다. 이 세포들은 밀고 당기는 기계적 데이터를 뇌로 보내는 전기 펄스로 변환합니다. 더 많은 처리를 통해 Merkel 세포는 물체의 구조와 전체 질감에 대한 일반적인 "느낌"을 만들 수 있습니다.
더 깊숙한 곳, 그러나 여전히 피부의 중간층에는 루피니 엔딩이라고 불리는 센서가 있습니다. 이 세포는 즉각적인 촉각에 크게 신경 쓰지 않습니다. 오히려, 그들은 피부가 얼마나 늘어나는지 감시합니다. 예를 들어, 손을 구부려 집게발을 만들 때, 그렇게 하도록 만드는 외부 찌르기가 없더라도 이 세포 덕분에 피부의 긴장을 느낄 수 있습니다.
두 센서 모두 피부의 3차원 구조에 퍼져 있습니다. 이 설정을 모방하면 찌르는 느낌과 스트레칭을 동시에 느낄 수 있는 전자 인공 피부를 개발할 수 있다고 연구팀은 논문에 썼습니다.
3DAE-SKIN 만나기
인공 피부는 3개의 층으로 이루어져 있으며, 각 층의 두께는 인간의 피부와 비슷합니다.
피부의 감지 구성 요소와 전기 회로의 대부분은 상층과 중층 사이에 내장되어 있습니다. 힘 센서는 메르켈 세포처럼 작동하여 즉각적인 터치 신호를 전달합니다. 대조적으로, 스트레인 센서는 루피니 엔딩과 유사하며 스트레치 신호를 보냅니다.
완성된 인공 피부는 개별 단위로 만들어집니다. 각각에는 9개의 레이어가 있으며, 2개의 힘 감지 구성 요소와 2개의 스트레인 감지 구성 요소가 있으며 그 사이에 5개의 "버퍼" 레이어가 있어 안정화됩니다.
연구팀은 이 모든 것을 신축성 있는 생체 적합성 소재의 두 개의 유연한 층 사이에 끼워 넣었습니다. 이 장치는 비틀림, 꼬집음 및 기타 피부 변형을 견딜 수 있으며 일반 인간 피부처럼 압력과 긴장을 감지할 수 있습니다.
그 다음에는 통신이 있었습니다. 연구팀은 표면층에 각인된 데이터 수집 회로와 신호 처리 허브를 추가했습니다. 허브는 장치에 있는 240개 센서의 데이터를 모두 시각화하고 다양한 유형의 힘과 그 출처를 해독합니다. 전체 장치는 엄지 손가락 끝의 크기입니다.
마지막으로 연구진은 수집된 데이터를 터치 예측으로 변환하는 AI를 개발했습니다. 그들은 51개의 간단한 모양(예: 공, 튜브 또는 종이)의 샘플과 각각이 압력에 어떻게 반응하는지, 즉 모양을 유지하는지 아니면 빠르게 변형되는지에 대해 알고리즘을 훈련했습니다.
"물체를 만질 때, 인간의 손가락 끝은 우리가 만지고 있는 것의 부드러움과 모양을 추론하기 위해 일반적으로 그것이 어떻게 느껴지는지에 의존한다"고 연구팀은 그들의 논문에서 설명했습니다.
간단해 보이지만 어려운 계산입니다. 아보카도가 익었는지 확인하기 위해 짜는 것처럼 얼마나 짜야 하고 언제 멈춰야 하는지 알아야 합니다.
거의 30,000개의 시나리오에 대해 훈련한 후 AI는 너무 익은 바나나와 같은 물체를 잡는 데 필요한 힘을 예측할 수 있습니다. 인간의 손끝처럼, 물체가 모양을 얼마나 왜곡하는지 감지하여 그립을 미세하게 조정할 수 있습니다.
한 실험에서 연구팀은 전자 피부가 장착된 클램프 모양의 탐침을 연결하고 덜 익은 자두와 잘 익은 자두를 압착했습니다. AI는 과일이 비교적 비슷해 보였음에도 불구하고 둘을 쉽게 구별할 수 있었습니다. 또 다른 테스트에서 클램프는 질기고 오래된 롤빵에서 갓 구운 롤빵을 쉽게 감지했습니다.
식료품을 사는 것은 인공 피부를 만들 때 가장 먼저 떠오르는 용도가 아닙니다. 그러나 이 연구는 AI를 사용하여 인간 피부의 생물학을 모방하면 로봇 공학과 보철을 위한 더 나은 인공 피부로 이어질 수 있음을 보여줍니다. 이러한 생체 영감 3D 디자인은 점점 더 정교해지는 미세 가공 기술과 결합되어 다양한 감각을 처리하기 위한 인간 피부의 해상도와 일치하는 생체 적합성 소재의 기준을 높입니다.
3DAE-Skin은 손끝을 모방하기 위해 개발되었지만 "설계 및 제작 방법은 확장 가능"하며 다른 유형의 보철 및 로봇 시스템에 사용할 수 있다고 팀은 썼습니다.
이상의 기사는 2024년 6월 3일 SingularityHub에 게재된 “Human-Like ‘Bio-Skin’ Gives Robots a Much More Nuanced Sense of Touch”제목의 기사 내용을 편집하여 작성하였습니다.
* 원문정보 출처 : Human-Like 'Bio-Skin' Gives Robots a Much More Nuanced Sense of Touch (singularityhub.com)