성균관대학교 산학협력단

반지 끼면 손끝으로 가상 물체의 힘 느낀다

- 18g 링으로 손가락에 최대 6.5N의 힘 피드백 전달 -

신소재공학부 김선국 교수 연구팀이 스위스 로잔공대(EPFL)와 공동으로 레이저 가공 기반의 3축 힘 센서를 개발, 이 기술을 반지 형태의 초경량 웨어러블 햅틱* 장치 ‘오리링(OriRing)’에 적용해 손가락 단위의 정밀한 촉각 피드백 구현에 성공했다.
* 햅틱(Haptic): 진동, 압력, 촉감을 통해 사용자에게 물리적 피드백을 전달하는 기술

웨어러블 햅틱 장치는 최근 피지컬AI*와 결합해 가상 세계의 감각을 현실로 전달하거나 신체 기능을 보조하는 용도로 활용도가 점점 높아지는 기술이다. 기존의 햅틱 장치는 진동이나 열과 같은 피부 자극 방식에 의존해 실제 물체의 힘과 질감을 사실적으로 전달하기는 어려웠다. 관절 수준에서 힘을 직접 전달하는 햅틱 장치의 경우, 구조적으로 무겁고 부피가 커 착용성이 떨어지는 문제를 안고 있다. 이에 따라 착용성이 좋으면서 현실감 있는 햅틱 피드백 구현을 위한 연구 필요성이 커지고 있다.
* 피지컬AI: 생성형 AI와 달리 몸체를 가진 인공지능으로 센서를 통해 현실을 인지하고 물리적으로 행동한다.

▲  햅틱 오리링(OriRing)의 양방향 피드백 및 오리링(OriRing)과 3축 힘 센서(Three-axis force-sensing skin)의 구조도

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 사용자의 손동작으로 발생하는 다축 힘을 정밀하게 감지하는 3축 힘 센서를 개발하고, 이를 초경량 웨어러블 햅틱 장치 오리링(OriRing)으로 구현해 냈다. 먼저 3축 힘 센서 개발은 레이저 가공으로 폴리머* 표면에 서로 다른 높이의 미세 피라미드 구조를 형성해, 힘의 방향과 크기에 따라 전기 신호가 명확히 구분되도록 했다. 2×2 픽셀 구조로 설계된 센서는 하나의 유닛만으로도 수직 방향 힘과 수평 방향 힘을 동시에 측정할 수 있어, 얇고 유연한 센서임에도 3축 힘 감지가 가능한 게 차별화된 핵심 기술이다. 해당 센서를 적용한 오리링은 구동부를 제외한 무게가 약 18g에 불과함에도 최대 6.5N의 힘 피드백**을 제공해 소형 웨어러블 장치로서는 매우 높은 힘 대비 무게 성능을 구현했다. 또한 연구팀은 실제 오리링을 착용한 사용자의 손가락 움직임에 따라 가상 물체의 크기와 강성이 촉각 피드백으로 즉각 전달되는 것을 확인하고, 손가락 동작만으로 가상 물체의 물리적 특성을 실시간으로 변화시키는 등 새로운 상호작용 방식도 제시했다.

* 폴리머(Polymer, 고분자): 웨어러블 햅틱 장치에서 유연성, 신축성, 그리고 생체 적합성을 부여하는 핵심 소재
** 6.5N의 힘 피드백: 질량 약 663g인 물체를 들어 올리는 힘

김선국 교수는 “오리링은 액세서리 수준의 착용성을 유지하면서도 기존 장갑형 햅틱 기기보다 뛰어난 힘 대비 무게 성능을 달성했다”며, “가상현실과 게임은 물론 재활·의료, 원격 로봇 조작 등 다양한 분야로의 확장이 기대된다”고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 브레인링크사업, 나노미래소재원천기술개발사업의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 성과는 국제학술지 네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)에 지난해 12월 18일 온라인 게재되었다.