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감정촉각피부 개발로 인간-로봇의 감정교류 실현 가능성 제시-음식물 보관용 랩으로 반려로봇과 인간의 촉각적 감정 교류 구현

하이거 2022. 5. 25. 17:09

감정촉각피부 개발로 인간-로봇의 감정교류 실현 가능성 제시-음식물 보관용 랩으로 반려로봇과 인간의 촉각적 감정 교류 구현

등록일2022.04.26.

 

 

 

 

 

 

 

감정촉각피부 개발로 인간-로봇의 감정교류 

실현 가능성 제시

음식물 보관용 랩으로 반려로봇과 인간의 촉각적 감정 교류 구현

  

 

 

□ 쓰다듬고, 꼬집고, 비틀기까지! 손으로 직접 접촉하여 사람처럼 정서적 교감을 할 수 있는 로봇용 투명 피부가 소개되었다. 

 

□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 김상연 교수(한국기술교육대학교) 연구팀이 최동수 교수(제1저자, 금오공과대학교), 최승문 교수(포항공과대학교)와 협력하여 로봇과 같은 전자장치가 사람과 촉각적으로 감정 교류를 할 수 있는 ‘감정촉각피부’를 개발했다고 밝혔다.

 

□ 사람은 쓰다듬거나 꼬집기 등 다양한 촉각 제스처를 통해 정서적, 공감적, 감정적 상호작용을 한다. 

  ○ 최근 1인 가구, 노인인구 증가 등에 따라 사람의 돌봄 기능을 강화한 반려로봇 또는 휴대폰 앱 등이 각광받고 있는데, 

  ○ 이 같은 전자‧기계장치와 사람이 적극적으로 감정교류를 하기 위해서는 다양한 촉각 제스처를 감지하고 이해할 수 있는 감정촉각피부가 필요하다.

 

 ○ 감정촉각피부는 어루만지고, 쓰다듬고, 때로는 꼬집거나 비틀고 하는 촉각행위 등을 모두 표현하고 인지해야 하므로 인간의 피부와 유사하게 부드럽고 잘 늘어날 수 있어야 하고, 장치 본연의 피부색을 그대로 표현하기 위해서는 매우 투명해야 한다.

 

□ 이에 연구팀은 음식 포장을 위해 사용하는 ‘랩’에 착안하여 원료인 폴리염화비닐 젤(polyvinyl chloride gel)과 물을 용매로 하는 하이드로젤(hydrogel)을 결합, 투명하면서도 매우 잘 늘어나는 감정촉각피부를 개발하는데 성공하였다. 

  ○ 또한, 폴리염화비닐 젤과 하이드로젤의 제조 비율에 따른 특성을 확인했고 투명성과 신축성이 유지되면서 접착할 수 있는 방법을 제시하였다.

  ○ 나아가, 개발한 촉각 피부를 통해 다양한 촉각 감정 구분 및 감정교류의 가능성을 확인하였다. 

 

□ 이번 연구 성과는 일상생활에서 주로 이용하는 음식물 포장용 랩에 사용되는 물질을 개량시킨 결과로, 가격이 저렴할 뿐만 아니라 투명하고 잘 늘어나는 특성을 가져 웨어러블 장치, 로봇, 의수, 스마트폰 등 여러 분야에 적용 가능할 것으로 기대된다.

 ○ 덧붙여 연구진은 사람과 감정교류가 가능한 다양한 감정 공유 장치 개발 시 새로운 기준이 될 것으로 내다봤다.

 

□ 교육부와 한국연구재단이 추진하는 대학중점연구소지원사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 화학 공학 분야 국제학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)’온라인판에 3월 31일 게재되었다. 

 

주요내용 설명

 

 <작성 : 한국기술교육대학교 김상연 교수>

 

논문명

Emotion-interactive empathetic transparent skin cushion with tailored frequency-dependent hydrogel–plasticized nonionic polyvinyl chloride interconnections

저널명 

Chemical Engineering Journal

키워드 

Flexible device (유연 디바이스), Transparent polymer (투명한 고분자) Physical sensor (물리적 센서), Electronic skin (전자 피부), Human–computer interaction (인간 컴퓨터 상호작용)

DOI

10.1016/j.cej.2022.136142

저  자

김상연 교수(교신저자/한국기술교육대학교), 방창현 교수(교신저자/성균관대학교), 최동수 교수(제1저자/금오공과대학교), 배진우 교수(공동저자/한국기술교육대학교), 이석한(공동저자/한국기술교육대학교), 송진호(공동저자/성균관대학교), 김다완 (공동저자/성균관대학교), 최승문 교수(공동저자/포항공과대학교)

 

1. 연구의 필요성

 ○ 1인가구, 노인인구의 증가, 코로나사태로 인한 정서적 고립감, 우울감 등이 사회적 문제가 되면서 반려동물의 정서적 교감의 순기능은 유지하면서, 돌봄 및 위생의 어려움 등 역기능을 제거하고, 사람을 위한 돌봄 기능을 강화하는 반려로봇 또는 휴대용 앱 등이 각광받고 있다. 

 ○ 사람이 사람이나 반려동물이나 휴대용 앱들과 보다 적극적으로 정서적으로 감정적으로 교감하기 위해서는 보고, 듣고, 말하는 기능이외에, 촉각 제스처 (쓰다듬는 행위, 톡톡 치는 행위, 어루만짐 뿐 아니라, 꼬집거나 비트는 행위)를 통한 교류도 매우 중요하다. 

 ○ 이러한 촉각적 감정 상호작용을 스마트폰, 로봇과 같은 전자 및 기계 장치에 적용하기 위해서는 다양한 인간의 터치 동작과 제스처를 감지하고 이해해야 한다. 따라서, 다양한 촉각 제스처 (누르고, 두드리고, 두드리고, 당기고, 늘이고, 쥐고, 꼬집고, 심지어 비틀기까지)에 반응하는 인간과 유사한 부드럽고 잘 늘어날 수 있는 촉각 피부가 필요하다. 또한 로봇의 피부색을 온전하게 표현하거나 또는 폴더블폰 등 형상이 변화하는 디스플레이 위에서 사용되기 위해서는 늘어날 수 있는 촉각 피부는 투명해야한다는 특성도 가져야한다. 

 ○ 따라서, 투명하고 늘어날 수 있으면서 다양한 촉각 제스처 (누르고, 두드리고, 당기고, 늘이고, 쥐고, 꼬집고, 심지어 비틀기까지)를 측정할 수 있는 새로운 촉각 피부 개발이 필요하다.  

 

 2. 연구내용 

 ○ 본 연구팀은 투명하면서도 잘 늘어나는 감정촉각피부를 개발하기 위해 폴리염화비닐 젤(polyvinyl chloride gel)과 하이드로젤(hydrogel)을 결합한 센싱 구조를 제안했다. 폴리염화비닐 젤은 투명하고 늘어나는 센싱 물질로 사용되었고, 하이드로젤은 투명하고 늘어나는 전극으로 사용되었다. 

 ○  다양한 전기적 특성을 가진 센싱 물질을 만들기 위해서 이중가소화* 기법을 제안했다. 가소화제의 종류와 비율 등을 조절하여 타겟 어플리케이션에 적합한 전기적 특성을 가지는 폴리염화비닐 젤을 제작할 수 있다. 예를 들어 정전용량 방식의 센서가 유리한 환경이라면 정전용량이 잘 변화하는 폴리염화비닐 젤을 이용하여 센서를 만들 수 있고, 압저항 방식이 유리한 환경이라면 압저항 현상이 두드러지는 폴리염화비닐 젤을 센싱 물질로 사용할 수 있다. 

* 이중가소화: 가소화를 위해 두 개의 가소화제를 사용

 ○  이렇게 만들어진 폴리염화비닐 젤의 윗면과 아랫면에 하이드로젤을 공유결합을 통해 부착하였다. 광학적으로 투명한 특성과 기계적 신축성을 유지하면서 폴리염화비닐 젤에 하이드로젤을 부착한 사례가 없었으므로, 여러 가지 시행착오 끝에 높은 광투과도와 높은 신축성을 유지하면서 폴리염화비닐 젤과 하이드로젤을 접착시키는 최적의 비율을 찾을 수 있게 되었다. 

 ○ 제안한 기본 구조를 확장하여 64개 (8×8)의 촉각 센싱 셀을 가진 감정촉각피부를 개발하였고, 개발한 감정촉각피부를 통해 다양한 촉각 제스처 (누르고, 두드리고, 두드리고, 당기고, 늘이고, 쥐고, 꼬집고, 심지어 비틀기까지) 분류의 가능성을 확인했다.

 

3. 연구성과/기대효과

 ○ 투명하면서 높은 신축성을 가지므로 움직임이 많은 로봇의 관절과 같은 부위에도 탑재하여 촉각 제스처 들을 인지가능하며, 디자이너가 선택한 최적의 로봇의 색 및 디스플레이에서 표현되는 콘텐츠들을 그대로 살릴 수 있도록 하여 로봇이나 휴대용 앱들과 정서적으로 감정적으로 교감하기 위한 토대를 마련하였다. 

 ○ 본 연구에서 개발된 감정촉각피부는 사람과 공감하고, 사람과 적극적으로 교감하는 반려로봇의 기반기술이 될 것으로 판단되며, 아동이나 독거 노인 등의 생활을 도와 줄 것으로 기대된다. 

 ○ 본 연구에서 개발된 감정촉각피부는 또한 사람에 공감하여 인터랙션하는 반려로봇 기술을 돌봄서비스로 발전시킬 수 있어, 1인 가구, 맞벌이 가구, 노인인구 증대 등으로 발생하는 사회적 어려움 등을 해결하는데 활용되어 원천 기술 선점에 기여할 수 있다. 

 ○ 개발한 감정촉각피부는 투명하고 잘 늘어날 수 있으므로 웨어러블 장치, 로봇, 의수, 스마트폰 등 여러 분야에 적용한다면 사람과 감정교류가 가능한 다양한 감정 공유 장치를 개발할 수 있을 것으로 판단한다.

 

그림 설명

 

 

 

 

 

(그림1) 고투명, 고신축성 감정촉각피부와 다양한 촉각 제스처에 대한 측정 데이터

개발한 감정촉각피부는 높은 광투과도 (90% 이상)와 높은 신축성 (450% 이상)을 가지고 있으며 64개의 센싱 셀로 이루어져 있다. 센싱 물질과 전극 물질이 공유 결합을 통해 강력하게 부착되어 외부의 강한 기계적 자극에도 쉽게 파손되지 않는다. 개발한 감정촉각피부는 쓰다듬기, 두드리기, 꼬집기, 비틀기 등 다양한 촉각 제스처를 측정할 수 있다.

 

그림설명 및 그림제공 : 한국기술교육대학교 김상연 교수

 

 

연구 이야기

 

     <작성 : 최동수 교수(금오공과대학교), 김상연 교수(한국기술교육대학교)>

 

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

 

로봇이 다양한 감정을 느낄 수 있게 하려면 어떻게 해야 할까를 고민 하다가 연구를 시작하게 되었습니다. 인간은 시각 정보, 청각 정보, 촉각 정보 등을 통해 감정을 전달 받습니다. 로봇도 유사한 정보들을 통해 감정을 느낄 수 있게 할 수 있을 것으로 생각했는데, 촉각을 통한 감정 상호작용이 중요성에 비해 많이 연구되지 않고 있고 촉각 관련 연구를 다수 진행한 경험이 있어 촉각을 통한 감정 상호작용에 초점을 맞추게 되었습니다. 

 

 

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

 

먼저 기존 연구 사례를 조사하였습니다. 그리고 기존 연구에서의 장단점을 분석하였고, 기존 연구의 단점들을 어떻게 해결할 수 있을지에 대한 고민과 아이디어 도출 과정을 진행하였습니다. 이를 통해 투명하고 늘어날 수 있는 센싱 물질 (폴리염화비닐젤)을 선정하게 되었습니다. 선정한 센싱 물질에 간단하게 구리 전극을 부착하여 센싱 가능성을 확인하였습니다. 여기에 투명하고 늘어날 수 있는 전극을 어떻게 부착할 수 있을지에 대한 많은 고민과 여러 가지 시도를 진행하였고 수많은 시행착오 끝에 최종적인 연구 결과물로 도출할 수 있게 되었습니다.  

 

 

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

 

가장 큰 문제는 센싱 물질 (폴리염화비닐젤)과 전극 물질 (하이드로젤)을 부착하는 문제가 가장 어려운 문제였던 것 같습니다. 투명성을 유지 (광투과도 90% 이상)하면서 기계적인 자극에도 쉽게 파괴되지 않도록 제작 (인장률 450% 이상)하는 것이 쉽지 않았습니다. 특히 센싱 물질로 사용된 폴리염화비닐 젤이 상용화된 대부분의 접착제와 잘 붙지 않았습니다. 시중에 유통되는 대부분의 접착제를 구하여 센싱 물질과 전극 물질 접착을 시도했던 것 같습니다. 상용화된 접착제는 접착도 잘 되지 않았을 뿐 아니라 투명성 유지가 되지 않거나 딱딱해지는 등의 문제가 발생했습니다. 관련 연구들을 조사하던 중 폴리염화비닐젤에는 한 번도 시도되지 않았던 기법을 적용하였고 수많은 시행착오를 통해 광투과도와 기계적 신축성을 유지하면서 센싱 물질과 전극 물질을 접착하는데 성공하였습니다.

 

 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가? 

 

높은 투명도와 높은 신축성을 가진 감정 촉각 피부를 개발한 것 뿐 아니라 개발한 전자피부를 통해 쓰다듬는 행위, 톡톡 치는 행위, 어루만짐 뿐 아니라, 꼬집거나 비트는 느낌 등 사람이 손으로 하는 모든 촉각적인 감정교류의 가능성을 보인 첫 사례라고 판단됩니다. 특히 꼬집거나 비트는 촉각 표현을 센싱하기 위해서는 높은 내구성을 보여야 하는데, 개발한 감정 촉각 피부는 잘 늘어날 뿐 아니라 외부의 강한 자극(꼬집고, 비틀기)에도 잘 파괴되지 않습니다. 

 

 

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

 

로봇의 피부에 적용하여 사람과 촉각적인 감정을 공유할 수 있는 로봇 (휴머노이드, 애완로봇 등)을 만들 수 있을 뿐 아니라, 촉각적인 감정 표현을 센싱할 수 있는 의수, 늘어나는 스마트폰 (stretchable smart phone) 등에 적용할 수 있을 것으로 판단됩니다. 실용화를 위해서는 딥 러닝을 기반으로한 좀 더 정확한 감정 분류 시스템을 개발하여야하고, 감성 촉각 피부의 센싱 값 변화를 좀 더 민감하고 빠르게 측정할 수 있는 측정 회로 기술 개발이 동반되어야 합니다.

 

 

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은? 

 

후속 연구로 재질 표면의 미세한 질감까지 측정할 수 있는 촉각 피부를 연구하고 싶습니다. 후속 연구로 진행되는 미세 질감 측정 촉각 피부도 투명하고 늘어날 수 있는 형태로 개발하여 다양한 분야에 응용할 수 있도록 연구할 계획입니다.