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NEW 기계 강대식∙고제성∙한승용 교수팀, 삼성전자와 인공근육 구동기 개발

  • 2022-08-01
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우리 학교 기계공학과 강대식·고제성·한승용 교수 연구팀이 삼성전자와 함께 소형 웨어러블 기기에 적용할 수 있는 ‘초경량∙초박형 인공근육 구동기’를 개발했다. 기존의 모터와 차별화된 특성을 가진 인공근육 구동기는 메타버스 기술뿐만 아니라 다양한 분야에 활용될 전망이다.


연구팀은 삼성전자와 함께 형상기억합금 기반의 구동기를 개발하여 몰입감 높은 쌍방 소통 촉각기기와 안경형 다중 초점 광학 기기 구현에 성공했다고 밝혔다. 우리 학교 기계공학과의 강대식, 고제성, 한승용 교수와 박사과정에 재학 중인 김동진 연구원, 김백겸 연구원이 참여했다. 삼성전자에서는 신봉수 연구원이 함께 참여했다. 


이번 연구 성과는 저명 학술지인 <네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)> 7월18일 자에 온라인 게재됐다. 논문의 제목은 ‘다기능 인공근육을 이용한 소형 웨어러블 증강현실 기기 구동(Actuating compact wearable augmented reality devices by multifunctional artificial muscle)’이다. 구동기란 압력을 가해 물체를 움직이게 하거나, 인공 근육의 압력을 측정할 수 있는 시스템을 말한다. 


최근 메타버스(metaverse)가 주목을 받으면서 이와 함께 증강현실(augmented reality, AR)이나 가상현실(virtual reality, VR)과 관련한 웨어러블 기기에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 기존의 기기는 현실과 동떨어진 자극과 높은 시각적 피로도로 인해 몰입감이 낮고 장시간 사용에 는 큰 불편이 따른다. 광학 기기 측면에서 안경형 근안 디스플레이 기기는 고정된 초점으로 인해 시각적 피로도와 어지러움을 유발한다. 촉각 기기 측면에서, 글러브형 촉각 기기는 진동 기반의 현실과 다른 자극을 전달하거나, 무겁고 큰 구조로 인해 착용 편의성이 낮다. 또 몰입감 높은 자극을 전달하는 데는 한계를 보인다. 


이에 몰입감을 높이기 위한 AR ∙ VR 구동기와 센서는 작고 가벼우면서도 복잡한 시각과 촉각 기능을 구현해야 한다. 연구팀은 기존 전자기 모터 기반의 구동기가 가진 한계를 해결하기 위해 모터보다 훨씬 큰 출력을 낼 수 있는 인공근육인 형상기억합금 기반 구동기를 개발했다. 형상기억합금 기반 구동기는 0.2g 정도의 가벼운 무게에도 불구하고 10g의 추를 공중으로 던져 올릴 만큼 높은 출력 밀도를 가지고 있다.


가벼운 무게와 더불어 구동기의 높이 또한 5mm 이하로 설계할 수 있어, 얇은 소형 웨어러블 기기에도 적용 가능하다. 이번에 개발된 구동기는 압력을 부가할 뿐만 아니라, 전기적 저항이 변화하는 특성을 이용하여 별도의 센서 없이 외부 압력 측정이 가능하기 때문이다.


고제성 교수는 “독보적인 특성의 인공근육 구동기를 적용하여 안경형 근안 디스플레이의 초점을 30cm부터 5m까지 조절하며 시각적 어지러움을 해소할 수 있음을 보여주었다”며 “새 기술이 적용된 촉각 글로브는 피부를 변형시켜 실제 손으로 누르는 것과 유사한 느낌을 전달할 수 있음 역시 확인했다”고 밝혔다. 


뿐만 아니라 압력을 감지할 수 있는 기능을 이용하여 시∙청각 장애인이 원하는 단어를 점자의 형태로 받아들이고 보낼 수 있는 텔레햅틱(telehaptics) 기술의 가능성도 선보였다. 텔레햅틱이란 촉각을 원격으로 재현하는 기술을 말한다. 


한편 이번 연구는 과기정통부 개인기초연구(신진연구) 사업과 삼성전자 산학연구 지원을 받아 수행되었다.


<인공근육 구동기를 통한 광학∙촉각 웨어러블 기기>



# 제일 위 사진 - 왼쪽부터 기계공학과 강대식 교수, 고제성 교수, 한승용 교수, 김동진 연구원, 김백겸 연구원