촉각센서란?
촉각 센서 (영어: Tactile sensor) 는 인간의 촉각을 모방한 센서를 말합니다.
사용되는 센싱 장치는 접촉면의 압력과 진동을 전기적 신호로 변환하는 센서로, 이 센서의 작동을 인간의 촉각을 모방하기 위해 센서 기술 주변을 포함한 다양한 기술적 노력이 이루어지고 있습니다. 또한, 촉각 센서는 온도에 대한 민감도 등 여러 정보와 통합되어 섬세한 대상의 질감을 추정하는 기능을 갖춘 것도 있습니다.
촉각은 대상의 성질, 질감을 평가하는 기능에 그치지 않고, 적절한 힘으로 물건을 잡거나 펜을 쥐고 글씨를 쓰는 등 사람의 기본 동작에 중요한 역할을 하기 때문에 로봇기술의 발전에 필수적 입니다.
촉각 센서의 사용 용도
촉각 센서는 의료 진단이나 로봇에 활용되거나 산업 분야에 응용되고 있습니다.
하지만 최근에는 VR (Virtual Reality: 가상현실) 로 대표되는 게임 공간이나 메타버스 분야로의 적용도 Haptics라는 촉각 기술의 총칭으로 많이 기대되고 있습니다.
1. 촉각 센서의 의료 적용
대상의 경도를 평가할 수 있기 때문에 유방암이나 전립선암에서 발생하는 ‘덩어리’의 존재를 민감하게 파악할 수 있어 암의 조기 발견에 기여하고 있습니다. 또한, 표면의 거칠기로 인한 거칠기를 평가하여 피부염, 건피증 등의 정량적 평가에 활용되고 있습니다.
2. 촉각 센서의 로보틱스에의 응용
로봇공학에서는 손가락을 모사한 센서 개발을 통해 로봇 손용 센서로 그립력 조정을 위한 정보를 제공합니다.
3. 촉각 센서의 산업 분야 적용
산업에서는 제품의 텍스처를 모니터링하여 품질 관리에 도움을 줄 수 있습니다.
4. VR을 위한 Haptics
VR (Virtual Reality: 가상현실) 세계에서는 3D용 고글 등은 이미 상용화되어 있는데, 이 VR에 슈트나 장갑을 착용하고 촉각 센서를 탑재하여 VR 세계에서 보다 현실감 있는 세계를 재현하기 위한 어플리케이션 적용이 이루어지고 있습니다.
촉각 센서의 원리
촉각 센서는 물체와의 접촉력을 전기량으로 변환하기 위한 다양한 물리현상을 활용하고 있으며, 변환 장치 (센서: 소자) 를 중심으로 구성되어 있습니다. 이러한 전기 신호는 신호-정보처리 회로를 통해 분석된다. 이 센서에는 원칙적으로 다양한 감지 방식을 채택할 수 있습니다.
예를 들어, 전도성으로 끼워진 공간의 압력 변화에 따른 정전 용량을 감지하는 방법이 있습니다. 용도에 따라 다르지만, 일반적으로 센서 소자로 압전 세라믹스 소자 (PZT: 지르콘산티타늄산납) 를 사용하는 경우가 많습니다. 압전 세라믹스 소자는 피에조 소자라고도 불리며, 압력을 가하면 전압 변화를 일으키는데,이를 압전 효과라고 합니다.
압전소자의 고체 결정 내 이온의 배열이 압력을 가함으로써 결정의 한쪽 끝은 양전기를 띠고 다른 쪽 끝은 음전기를 띠는 전기분극 현상이 일어납니다. 압력의 정보나 진동의 주파수 정보가 압전소자에 의해 전기신호로 변환되어 ASIC 등으로 구성된 아날로그-디지털 각각의 처리회로를 통해 촉각의 정보로 변환할 수 있습니다.
또한, 광학적인 원리로는 센서 내부의 광도파로의 산란광 변화를 감지하여 센서 표면에서 물체의 접촉 위치를 파악할 수 있습니다.
촉각 센서에 대한 기타 정보
1. 촉각 센서 시장
촉각 센서의 시장 규모는 2019년 82억490만 달러에서 2025년까지 160억8380만 달러에 달할 것으로 예측됩니다.
촉각 센서는 사람과 협업할 수 있는 로봇의 발전을 뒷받침하는 중요한 요소 중 하나 입니다. 실례로 미국 MIT에서 개발 중인 로사이클 (RoCycle) 이라는 로봇은 재질을 식별하는 촉각 센서를 로봇 손에 내장해 종이, 플라스틱, 금속을 인식하고 분별할 수 있도록 연구가 진행되고 있습니다.
한국 포항공대에서는 나노 스프링 등을 이용해 미세한 압력과 진동을 감지할 수 있는 인공지문 센서 개발이 진행되고 있습니다. 개발 성과로 촉각 센서로 얻은 정보를 기계학습으로 분석해 99.8%의 정확도로 8가지 섬유를 구분하는 데 성공했다고 발표했습니다. 촉각 센서의 정확도가 높아짐에 따라 앞으로 로봇 산업을 중심으로 수요가 더욱 늘어날 것으로 예상됩니다.
2. MEMS 촉각 센서
MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) 는 센서, 전자회로 등을 미세 가공 기술을 통해 기판 위에 집적화한 소자를 말합니다.
최근에는 MEMS 기술을 이용한 초고감도 촉각 센서가 주목받고 있습니다.
- 가가와대학교 다카오 연구실 연구 결과는 여기.
3. Haptics 분야로의 전개
VR의 세계뿐만 아니라, 햅틱은 다양한 생활 속 분야로 그 응용이 확대되고 있습니다. 예를 들어, 스마트폰 화면의 홈 버튼, 전기차 계기판의 내비게이션 시스템, 전자 인증을 위한 터치펜, PC의 키보드 등입니다.
이러한 분야에서는 얼마나 작고, 가볍고, 얇고, 실감나는 촉각 센서를 구현할 수 있는지가 촉각기술의 관점에서는 매우 중요한 요소입니다. 이를 위해 각 업체들은 최첨단 MEMS 기술, 압전 소자 기술, 애플리케이션 소프트웨어 개발에 박차를 가하고 있습니다.