▲자동으로 사이즈가 조절되며 팔목의 형상에 착 맞춰지는 셀프 피팅 기능 구현형상기억합금 와이어를 오그제틱 메타 구조로 매듭지어 제작한 옷감형 액추에이터는 3D 방향으로 전체 수축 및 이완할 수 있고, 이를 통해 착용자의 신체 형상에 순응하며 셀프 피팅하는 기능이 구현되었다. ⓒ 오일권 KAIST 교수
형상기억합금 와이어를 '오그제틱(auxetic) 메타 구조' 형태로 매듭지어 형상 적응이 가능한 옷감 형태의 착용형 '햅틱(haptic) 인터페이스'가 개발됐다.
예로 들면, 영화 <스파이더맨>의 주인공이 입은 슈트처럼 굴곡진 자신의 몸에 사이즈가 자동으로 조절되어 착 맞춰지는 옷감형 웨어러블 햅틱 기술이다. 햅틱은 힘·진동·모션을 적용함으로써 터치의 느낌을 구현하는 기술로 '스마트폰 터치 진동'이 대표적이다.
한국연구재단(NRF, 이사장 이광복)은 6일 오일권 한국과학기술원(KAIST) 교수 연구팀이 세계 최초로 이같은 옷감형 액추에이터(actuator)를 선보였다고 알리면서 "연구팀이 개발한 착용형 햅틱 인터페이스는 촉각 정보를 활용한 보행 로봇, 무인기 제어와 같은 국방 기술뿐만 아니라, 메타버스가 접목된 의료, 교육, 엔터테인먼트 등 민간분야에도 높은 활용성을 보일 것으로 기대된다"고 밝혔다.
참고로, '형상기억합금 와이어'란 상온에서 모양이 쉽게 변형되고, 특정 온도에 도달하면 힘과 움직임을 발생시키면서 미리 기억된 형태로 되돌아가는 특징을 갖는 형상기억합금을 철사처럼 가늘고 길게 제작한 것이다. 그리고 '오그제틱 메타 구조'란, 특이한 물성을 띠는 메타물질 중 하나인 오그제틱 구조체는 자연계의 물질과는 다른 독특한 탄성을 갖는데 고무줄 등과는 달리 누르면 수직방향으로 같이 줄어들고 당기면 수직방향도 같이 커진다.
오일권 교수 연구팀이 이번 개발을 시작한 게 된 배경에 대해 "온‧오프라인의 경계는 점점 모호해지고, 메타버스 기술의 급속한 발전으로 가상‧증강‧혼합현실로 우리 생활 무대가 확장되고 있는 추세"라며 "시·청각 기반의 플랫폼에는 한계가 있고, 피부 표면으로 전해지는 직관적인 촉감으로 메타버스 속 상호작용 몰입도를 높이는 연구가 활발히 진행되고 있다"고 설명했다.
이같은 현실 변화의 핵심에 있는 기술 중 하나가 '착용형 햅틱 인터페이스' 기술이며, 옷을 입듯 햅틱 슈트를 착용하고 가상현실에 접속해 자유롭게 움직이면서 몰입할 수 있게 해주는데 있어 '햅틱 슈트'는 사용자의 움직임에 감응하고 촉각 정보를 전달함으로써 보다 직관적으로 정보를 교환하고 제어할 수 있도록 한다.
하지만 기존 '햅틱 인터페이스'는 피부에 부착하거나 별도의 고정 장치를 착용해 사용하는데, 이같은 착용(부착)형 햅틱 인터페이스는 장시간 사용 시 피부 발진의 위험이 있고, 고정 방식은 움직임이 자유롭지 못하다는 단점이 있다. 또 수십 개의 촉각 전달 소자를 장착해 촉감을 모방하는 기존의 제작 방식 역시 장치의 무게‧부피 증가로 이어지는 한계를 보여고 있다.
▲형상기억합금 와이어를 오그제틱(auxeitc) 구조로 매듭지어 제작한 옷감형 액추에이터와 이를 활용해 개발한 착용형 햅틱 인터페이스. (a) 형상기억합금 와이어를 오그제틱 구조로 매듭지어 옷감형 액추에이터를 제작하고, 단순 바느질을 통해 일반 천과 연결해 입을 수 있는 옷감처럼 구성. 오그제틱 구조 착용형 햅틱 인터페이스를 팔목과 팔꿈치에 착용해 착용형 햅틱 인터페이스로서 응용 모습. (b) 오그제틱 구조 착용형 햅틱 인터페이스를 팔목에 착용하여 VR 환경 속 로봇과 상호작용을 하는 모식도. (c) 오그제틱 구조 착용형 햅틱 인터페이스를 팔꿈치에 착용하여 팔꿈치 움직임을 조절하는 개인 맞춤형 운동 가이드로서 응용을 나타내는 모식도. ⓒ 오일권 KAIST 교수
이에 오 교수 연구팀이 온도 변화에 따라 힘을 발생시키는 형상기억합금 와이어를 매듭지어 옷감 형태로 제작된 옷감형 액추에이터를 개발한 것이다.
우선 연구팀은 가볍고 편하게 착용할 수 있는 햅틱 인터페이스 개발을 위해 형상기억합금 와이어를 핵심 소재로 선택했다. 특히 기존의 옷감 제작 방식으로 형상기억합금 와이어를 '오그제틱 구조'로 매듭지어, 일반 구조에서는 볼 수 없는 3D 방향으로 구조 전체가 동시에 수축 및 이완하는 특성을 구현해 냈다.
또한 연구팀은 8개의 영역을 개별 수축 제어할 수 있도록 설계해 총 아홉 가지 방향과 타이밍에 대한 정보를 사용자에게 촉감 피드백으로 전달할 수 있게 제작했다.
예로 팔목에 착용 시, 사용자는 방향 및 타이밍에 관한 정보를 촉각적으로 인지할 수 있고, 반면 팔꿈치에 착용할 때는 옷감형 액추에이터의 가변강성 기능을 활용해 팔꿈치의 굽힘각도에 따른 피드백을 제공하는 멀티모달(두 가지 이상의 피드백 형태로 정보를 전달) 햅틱 인터페이스로서 개발했다.
이처럼 옷감형 액추에이터를 팔목에 착용한 사용자가 가상현실 속 모빌리티 로봇 주변의 위치정보를 파악하고, 시각과 청각 정보가 제한될 때 장애물을 피해 로봇을 안정적으로 주행하는 실증에도 성공했다.
▲착용형 햅틱 인터페이스를 통해 VR 환경 속 모빌리티 로봇의 주변 환경에 대한 정보를 전달받고 제어하는 모습. 사용자는 시각 정보가 제한된 VR 환경에서 로봇의 주변 환경에 대한 정보(장애물, 벽 등)를 착용형 햅틱 인터페이스가 전달하는 촉각을 통해 직관적으로 인지할 수 있다. ⓒ 오일권 KAIST 교수
한국연구재단은 "이런 비자연적 특성을 통해 마치 영화 속 '스파이더맨 슈트'처럼 굴곡진 신체의 표면에 순응하여 사이즈가 자동으로 조절되는 옷감형 액추에이터를 세계 최초로 선보였다"면서 "연구팀이 개발된 착용형 햅틱 인터페이스를 통해 사용자가 로봇, 드론, 자율주행 자동차 등과 직관적으로 정보를 교환하고 제어할 수 있을 거라 기대한다"고 전했다.
오일권 교수는 이번 연구성과를 통한 실용화 시 활용에 대해 "착용형 햅틱 인터페이스는 촉각 정보를 활용한 로봇, 무인기 제어와 메타버스가 접목된 의료‧교육 등에도 활용할 수 있다"고 말했다.
오 교수는 예를 들어 "영화 <레디 플레이어 원>에서 주인공 웨이드는 VR을 고글을 착용하고, 일상 속 옷을 입듯 햅틱 슈트를 착용해 가상현실에 접속한 후 자유롭게 움직이며 몰입하는 모습을 보여준다"면서 "이처럼 연구팀이 개발한 옷감형 액추에이터는 가상/증강/혼합현실의 경계를 허물면서 사용자가 자유롭게 움직이며 상호작용하는 사용자 친화형 햅틱슈트의 실용화를 앞당길 것"이라고 설명했다.
이어 오 교슈는 "사용자가 착용한 의복만으로 로봇, 드론, 자율주행 자동차 등과 직관적으로 정보를 교환하고 제어할 수 있는 착용형 햅틱 인터페이스의 개발 및 실용화가 이루어지길 목표로 연구를 지속할 계획"이라면서 "이를 위해 제작 방식의 자동화와 상호작용을 위한 S/W 어플리케이션 개발 등의 후속 연구가 지속돼야 한다"고 강조했다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자(창의연구) 지원 사업으로 수행됐다. 연구 성과는 첨단 소재 분야 국제학술지 <어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)>에 9월 19일 게재됐고, 연구의 우수성을 인정받아 학술지 표지 논문으로 선정됐다.