파충류의 피부보다 더 민감한 인공 피부의 개발

현재 세계의 많은 연구진들이 탄성있는 인공 피부를 개발하고 있습니다. 특히 최근 로봇을 좀 더 안전하게 설계하기 위해 로봇의 손에 촉각 센서(Tactile Sensor)를 추가하는 경우가 많아지면서 이런 인공 피부에 대한 수요는 점점 증가하고 있습니다. 

인공 피부 개발을 위해서는 신축성이 있는 압력 센서와 온도 센서가 필요합니다. 압력 센서의 경우 지금까지 꾸준히 연구가 이루어져 안전하게 유리컵을 잡을 수 있을 정도의 인공 피부가 개발되기도 했습니다. 하지만 온도 센서의 경우 현재 섭씨 1/10도의 정확도로 온도 변화를 감지하는 인공 피부가 개발되어 있지만, 섭씨 5도 이하의 환경에서만 동작하여 아직 활용도가 높지 않은 상태입니다. 다른 온도 센서의 경우 좀더 넓은 온도 범위에서 동작하지만 정확도가 매우 낮다는 단점이 있습니다. 

파충류의 피부와 같이 미세한 온도 변화도 감지하고 상온에서도 작동 가능한 인공 피부가 있다면, 로봇이나 보철 기기(의족, 의수 등)에 적용해 진짜 사람의 신체같은 기관을 만들 수 있습니다. 최근 Caltech과 ETH(Swiss Federal Institute of Technology in Zurich)의 연구진들은 이렇게 상온에서도 미세한 온도 변화를 감지하는 인공 피부를 개발했습니다. 이 인공피부는 섭씨 5도와 50도 사이에서 동작가능하며 1/100도 정확도로 온도 변화를 감지할 수 있다고 합니다. 이 정도의 정확도는 방울뱀과 같은 파충류 피부의 온도 민감도와 비슷한 수준입니다.

Biomimetic temperature-sensing layer for artificial skins

연구진들은 실험실에서 합성 나무를 배양하던 중에 이 인공 피부를 발견하였습니다. 식물의 세포벽에서 얻어지는 팩틴(pectin)으로 필름을 만들게 되면, 이 필름이 온도 변화를 전기 신호로 변환시킨다는 것을 우연히 발견한 것입니다.

연구진들은 물과 팩틴으로 구성된 약 20 마이크로미터 두께의 필름을 기존의 인공 피부에 부착했습니다. 이 팩틴은 서로 연결되어 칼슘이온이 포함된 막을 형성합니다. 만약 온도가 올라가면 일부 팩틴 간의 결합이 떨어지면서 칼슘이온을 방출하게 됩니다. 양전하를 띤 칼슘이온이 방출됨에 따라 필름의 저항이 떨어지게 되고, 이를 필름에 붙어있는 전극에서 감지하게 됩니다.

이렇게 팩틴 필름이 동작하는 방식은 파충류들이 야간에 따뜻한 온도의 먹잇감을 찾는 방식과 매우 유사합니다. 온도가 올라가게 되면, 파충류 세포벽 내의 이온 채널이 개방되며 칼슘이온이 들어와 전기 신호를 발생시키기 때문입니다.

팩틴 필름은 촉각을 굉장히 민감하게 만들어주어 살짝 건드리는 것도 모두 감지할 수 있다고 합니다. 뿐만 아니라 파충류처럼 피부 주변의 온도 지도를 그릴 수 있게 하여 1미터 정도 떨어진 열원의 위치도 파악할 수 있다고 합니다. 이 팩틴 필름은 구겨지거나 형태가 휘어져도 초기의 온도 민감도를 유지하기 때문에 매우 사용하기 편리합니다.

또한, 여러 번의 온도 변화에도 안정적으로 동작합니다. Caltech의 Chiara Daraio는 팩틴이 주변에서 흔히 구할 수 있는 재료이기 때문에 제작 원가도 매우 낮아 앞으로 이 센서를 대량 생산할 계획도 있다고 하였습니다.

Daraio는 이를 로봇에 적용하는 것은 1~2년 안에 가능할 것이라고도 했습니다. 하지만 보철 기관이나 반창고 등에 적용해 온도가 주변 온도가 올라가면 경고를 주는 시스템의 경우, 상용화까지 조금 시간이 걸릴 것 같다고 합니다. 실제 인체에 적용하려면 여러 안전 테스트를 거쳐야 하기 때문입니다. 연구진들은 또한 앞으로 이 팩틴 필름 기술을 더 발전시켜 섭씨 90도에서도 온도 변화를 감지할 수 있게 만들 계획입니다.

인간의 피부와 완전히 동일하거나, 더 뛰어난 인공 피부의 완성이 멀지 않은 것 같습니다. 이런 온도 센서를 통해 기존 압력 센서 기반의 촉각 센서를 보완하면, 정말 민감한 촉각도 구현해낼 수 있을 것입니다.

참고 기사

IEEE Spectrum, "Heat-Sensitive Skin Could Let Prosthetics Feel Warmth"

IEEE Spectrum, "Synthetic Skin Sensitive to the Lightest Touch"

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