구부리고 비틀어도…MIT, 3D 형상 읽는 센서 시트 개발했다

MIT 연구진이 구부리거나 비틀었을 때 형상을 읽어 컴퓨터에서 3D 형상으로 재현하는 부드러운 센서 시트를 개발했다. 내부에 심은 빛 통로로 변형을 감지하는 방식이며 게임·가상현실(VR)·로봇 원격 조종·재활 치료 등에 응용할 수 있다고 보고 있다.

사람 동작을 가상공간 아바타에 반영하는 모션캡처 의류에는 몸 곳곳에 딱딱한 센서를 다는 방식이 있다. 하지만 단단하거나 늘어나지 않는 부품을 배치하면 착용감과 움직임 자유도가 떨어지는 문제가 있다. 치판 위(Qifan Yu)·니나 차오(Nina Cao)·케이틀린 베커(Kaitlyn Becker) 연구진은 몸이나 부드러운 로봇 표면에 밀착시킬 수 있는 센서를 목표로 표면 형상을 측정하는 시트를 만들었다.

◇ 광도파로로 변형 감지=시트 핵심은 광섬유처럼 내부로 빛을 통과시키는 광도파로다. 연구진은 투명하고 말랑한 고무 재질 심을 검게 착색한 외층으로 감싼 광도파로를 제작했다. 한쪽 끝에 LED를, 반대쪽 끝에 광센서를 달아 광도파로가 변형될 때 도달하는 빛 양이 어떻게 달라지는지 측정하는 구조다.

연구진은 심 한쪽 면에만 잔 요철을 내는 방법도 썼다. 빛 통로가 휘면 내부 반사 방식이 달라지는데 한쪽 면을 거칠게 해 두면 거친 면 쪽으로 굽혔을 때와 매끄러운 면 쪽으로 굽혔을 때 빛 손실이 다르게 나타난다. 이 차이를 이용하면 얼마나 굽었는지는 물론 어느 방향으로 굽었는지도 읽을 수 있다.

시제품은 가로 160mm 세로 160mm 두께 5mm 크기다. 길이 160mm 광도파로가 7개씩 2층으로 모두 14개 들어 있다. 광도파로는 지그재그 형태로 배치돼 여러 방향에서 변형을 포착한다. 광센서 신호를 외부 회로로 모으고 각 광도파로 측정값에 들어맞는 시트 전체 형상을 알고리즘으로 추정한다. 검출면은 부드러운 소재로 만들었고 전자 부품은 가장자리에 모았다.

◇ 비스듬한 배치가 정확도 높여=연구진은 광도파로를 어떻게 늘어놓아야 시트 형상을 정확히 읽는지 시뮬레이션으로 비교했다. 가장자리나 모서리가 휜 형상 등 6가지 형상을 사용해 광도파로 수와 배치 방향을 바꿔 가며 원래 형상을 재현하는 정확도를 살폈다. 그 결과 이번에 검증한 형상에서는 광도파로 수를 늘리는 것보다 다양한 방향 굽힘을 포착하도록 비스듬하게 배치하는 게 정확도 향상에 더 효과적이었다.

실물 시트를 구부리는 실험에서는 가장자리나 모서리를 들어 올리거나 대각선으로 접자 화면 속 3D 형상도 따라 움직였다. 센서 읽기와 계산 그리고 화면 출력까지 포함한 형상 갱신 속도는 평균 초당 3회였다. 3D 프린터로 만든 틀에 시트를 3가지 형상으로 고정해 측정한 결과 형상 재현 오차를 나타내는 평균제곱근오차(RMSE)는 각각 3.7mm와 2.8mm 그리고 4.5mm였다. 다만 국소적으로 굽힘 정도가 크게 달라지는 복잡한 표면에서는 세밀한 형상을 충분히 재현하지 못한다고 연구진은 설명했다.

◇ 일부 손상돼도 형상 추정=광도파로 일부가 망가져도 나머지 정보로 형상을 추정할 수 있다는 점도 특징이다. 시뮬레이션에서는 14개 중 최대 3개가 손상된 조건에서도 형상 재현 오차가 3mm 미만에 머물렀다. 실물 시트에서도 광도파로를 자르거나 구멍을 뚫어 빛이 지나지 못하게 한 뒤 형상 재현이 이어지는 걸 확인했다. 다만 손상이 늘어도 정확도가 유지되는 건 아니어서 시뮬레이션에서는 5개 이상 손상되면 오차가 대체로 1cm 이상으로 커졌다.

시트는 굽힘뿐 아니라 어디를 눌렀는지도 감지한다. 평평하게 놓은 시트를 누르는 실험에서 눌린 위치를 오차 1.5cm 이내로 찾아냈다. 하지만 시트 아래 놓인 물체 단단함에 따라 측정값이 달라져 누르는 힘 크기는 정확히 잴 수 없다.

손목과 팔꿈치에 시트를 감아 관절 움직임을 읽는 시연도 진행했다. 관절을 움직이면 시트가 굽을 뿐 아니라 늘어나기도 해 굽힘 중심의 일반적인 계산 방식으로는 형상을 정확히 재현하기 어렵다. 이에 연구진은 광도파로 측정값을 관절 각도로 환산하는 방식으로 움직임을 읽었다.

◇ 실용화 과제와 향후 계획=연구진은 실용화를 위한 과제로 처리 속도 향상과 시트 박형화 그리고 신축성 개선을 꼽았다. 광도파로 자체는 부드럽게 늘어나지만 시제품은 주변 배선이 늘어나지 않아 시트 전체가 자유롭게 늘고 줄지 못한다. 연구진은 신축성 전자회로 도입과 광도파로 세선화를 검토할 계획이며 가는 광도파로를 더 많이 배치하면 시트를 얇게 하면서도 미세한 형상 변화를 읽을 수 있을 것으로 내다봤다.

앞으로는 다른 촉각 센서와 결합해 형상과 외부에서 가해지는 힘을 동시에 측정하는 것도 목표로 한다. 연구진 일원인 베커는 환자 움직임을 기록해 이전 상태와 비교함으로써 물리치료사가 회복 경과를 파악하는 데 도움이 되는 도구를 만들고 싶다고 설명했다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.