로봇공학 혁신에서 인간의 촉각을 모방하는 첨단 보철 손

로봇 공학의 최근 획기적인 발전으로 절단 수술을 받은 사람들이 잃어버린 능력을 되찾는 데 도움이 될 수 있습니다. 새로운 의수 디자인은 여러 겹의 센서와 하이브리드 로봇 구조, 그리고 신경모사 방식으로 인코딩된 신호를 읽어 인간과 같은 기능을 구현하는 머신러닝 알고리즘을 결합했습니다. 알아두어야 할 사항은 다음과 같습니다.

그립의 과학

손을 뻗어 무언가를 집어 올리면 자동으로 일어나는 것처럼 보일 수 있습니다. 사실은 아무것도 아닌 것처럼 보이는 이 간단한 동작이 수백만 개의 피부 기계수용체, 연조직, 뼈, 관절, 뇌 사이의 복잡한 상호 작용이라는 것입니다.

손에는 메르켈 세포, 마이스너 소체, 루피니 종말, 파치니 소체라는 네 가지 주요 촉각 기계 수용체가 있습니다. 피부의 바깥층에는 가벼운 접촉에 반응하도록 설계된 메르켈 세포가 있습니다.

다음으로, 마이스너 소체는 저주파를 감지합니다. 그 다음에는 표면의 변형을 결정하는 루피니 종말이 이어집니다. 마지막 층인 파치니 소체는 압력과 고주파 진동을 감지합니다.

이러한 센서, 뼈, 조직의 조합 덕분에 인간은 다양하고 복잡한 표면을 쉽고 빠르게 감지할 수 있습니다. 특히, 이 구조 덕분에 계란을 깨지 않고 집어 들 수 있고, 자판기에서 주문한 핫초코 종이컵이 미끄러지기 시작하는 것을 알아차릴 수 있습니다.

인간의 그립을 복제하는 문제

인간의 팔다리와 같은 다재다능함을 가진 로봇 손을 만들려는 시도가 많이 있었습니다. 그러나 지금까지는 여러 가지 이유로 모두 실패했습니다. 그러나 가장 좋은 결과를 얻은 시도는 소프트 로봇을 활용했습니다.

소프트 로봇은 단단한 구조가 없다는 점에서 기존 로봇과 다릅니다. 소프트 로봇은 재난 구호 및 광물 탐사 등 다양한 분야에서 활용도가 높아지고 있습니다. 소프트 로봇은 기존 로봇과 달리 구조가 단순하여 좁은 공간에 맞춰 형태를 변형할 수 있습니다. 하지만 안타깝게도 이러한 견고함의 부족으로 인해 소프트 로봇은 인간의 팔다리를 완벽하게 복제하지 못하고 있습니다.

첫째, 유연한 소프트 로봇에 센서를 하나 추가하면 주요 기능인 유연성이 손상됩니다. 게다가 이러한 시스템의 대부분은 터치가 발생했다는 것만 감지할 수 있습니다. 이러한 접근 방식은 물건을 만질 때마다 뇌가 처리하는 엄청난 양의 감각 데이터와는 거리가 멉니다.

연구의 세부 사항

이러한 한계를 인식하고 Florida Atlantic University와 기타 주요 기관의 과학자 그룹은 연구를 발표했습니다.정확하고 유연한 움켜잡기를 위한 신경형 촉각 감지 기능을 갖춘 자연적 생체 모방 보철 손"¹ Science Advances에 게재되었습니다. 이 논문은 부드러운 로봇 관절, 단단한 내골격, 다층 센서 시스템을 활용하는 새로운 하이브리드 인공 손 디자인을 살펴봅니다.

핸드 디자인

엔지니어들은 사람의 손을 모방한 새로운 손 디자인을 개발했습니다. 멀티 핑거 시스템은 고무와 유사한 폴리머를 사용하여 손가락과 마주 보는 엄지손가락을 제작합니다. 이 디자인은 근전도(Electromyography)를 통해 팔뚝 근육으로 작동하는 부드럽고 공기로 채워진 손가락 관절을 활용합니다. 이러한 접근 방식을 통해 착용자는 실제 손처럼 손을 제어할 수 있습니다.

출처 – Science Advances

하이브리드 바이오미메틱 핑거

하이브리드 생체 인식 손가락 디자인은 독립적으로 작동하는 10개의 소프트 로봇 관절을 통합합니다. 이 관절은 인간의 피부를 모방하기 위해 Dragon Skin 14 실리콘으로 만들어졌습니다. 손가락은 손처럼 분리된 3개의 독립적으로 작동하는 관절을 특징으로 하며, 각 주요 손가락에 XNUMX개, 엄지 손가락에 XNUMX개가 있습니다.

과학자는 하이브리드 손가락 관절을 작동시키기 위해 공압 네트워크를 활용하기로 했습니다. 구체적으로, 액추에이터는 공기를 가압하여 공기를 부풀리고 그에 따라 움직이게 합니다. 이 전략은 추가 모터와 액추에이터의 필요성을 없애 비용과 무게를 줄입니다.

딱딱한 엔도스켈레톤을 갖춘 소프트 액추에이터의 인간과 같은 구성은 기존의 소프트 로봇 옵션보다 더 많은 힘을 제공합니다. 따라서 그들은 가압 액추에이터가 조작되는 물체에 직접 힘을 전달하여 특정 영역에 정확한 압력을 가해 손상 없이 물체를 조작할 수 있다는 것을 확인했습니다.

의수 손가락 끝

부드러운 실리콘 손가락 끝에는 여러 겹의 촉각 센서가 있어 압력과 고주파를 감지할 수 있습니다. 손에서 가장 민감한 부분이며, 다른 센서들과 연결되어 주변 환경과 조작 대상에 대한 심층적인 정보를 제공합니다. 로봇은 사용자처럼 손가락 끝을 표면 위로 움직여 물건의 구성과 취급 방법에 대한 다양한 특징을 파악할 수 있습니다.

해골

이 접근 방식의 핵심은 하이브리드 디자인이 단단한 3D 인쇄 단단한 내골격 구조를 통합한다는 믿음입니다. 엔지니어가 사용하는 골격은 폴리락트산(PLA)을 활용하여 개발되었습니다. 그것은 안정성, 힘 증폭 및 손의 핵심 구성 요소에 대한 지원을 제공합니다.

센서

과학자들은 인간과 비슷한 성능을 얻기 위해 촉각 센서의 세 층만 복제하면 된다는 것을 발견했습니다. 그들의 레이아웃은 시스템에 실시간으로 신뢰할 수 있는 촉각 피드백을 제공하여 구성, 필요한 힘, 그리고 아이템을 성공적으로 조작하는 데 필요한 접근 방식을 결정하기 위한 복잡한 결정을 내릴 수 있게 합니다.

외층 : 외부 센서 층은 표피처럼 작동하도록 설계되었습니다. 피부는 아주 사소한 접촉도 감지할 수 있습니다. 이 작업을 수행하기 위해 팀은 하이브리드 손가락 끝 표면에 외부 압전 저항 감지 층을 통합했습니다. 이 층에는 4개의 촉각 센서가 통합되어 있습니다. 각 센서의 총 크기는 2mm2.5에 불과하고 XNUMXmm 간격으로 배치되어 손가락 끝을 완전히 덮습니다.

중간 계층 : 중간 감지 영역은 신체의 Ruffini 종말처럼 작동하도록 제작되었습니다. 이 작업을 수행하기 위해 팀은 압저항 감지 층을 내장했습니다. 주목할 점은 압저항 센서가 외부 힘이 가해지면 전기 저항이 변한다는 것입니다.

흥미롭게도, 이 층에는 6mm2 크기의 센서가 2.5개 있습니다. 팀은 이 센서들을 XNUMXmm 간격으로 배치하고 외부 센서 층에서 오프셋 방식으로 배치하여 전술 수신 기능을 개선했습니다.

내부 층: 엔지니어들은 손의 안쪽 층이 파치니 소체처럼 작동하도록 설계하여 환경으로부터 고주파 진동과 과도 압력을 감지합니다. 손톱에 부착된 10mm 압전 변환기를 사용하여 제작되었습니다. 구체적으로, 하이브리드 손가락 끝의 부드럽고 단단한 구성 요소 사이에 위치합니다.

힘이 감지될 때마다 작은 전압을 생성하여 시스템이 조정하고 물체를 조작하는 가장 좋은 방법을 결정할 수 있도록 합니다. 또한 단단한 손톱을 사용하여 표면의 진동을 포착했습니다.

기계 학습 알고리즘

이 모든 데이터는 ML 알고리즘에 입력되어 데이터를 수집, 처리, 신경형으로 인코딩한 다음 로봇 부속물로 다시 보냅니다. 이 시스템은 자체 머신 러닝 알고리즘과 관련하여 신경형 반응을 활용하여 질감을 분류할 수 있습니다.

흥미롭게도, 이 시스템은 Izhikevich 뉴런 모델 프레임워크를 사용하여 인간 피부의 기계 수용체와 관련된 데이터를 신경형적으로 인코딩합니다. 이 전략을 통해 이 장치는 신경 자극을 통해 자연스러운 촉각 감각 정보를 제공할 수 있으며, 이는 하이브리드 로봇 분야에서는 처음 있는 일입니다.

로봇 손은 자신이 만지는 것을 알고 있습니다

이 전략은 로봇 팔이 무엇을 만지고 있는지 파악할 수 있게 해 줍니다. 이 신호는 뇌와 신경을 연결하여 착용자가 다양한 모양과 표면 질감의 물체를 쉽게 구분할 수 있도록 합니다.

의수 테스트

인공 손의 테스트는 개별 손가락으로 시작되었습니다. 각 손가락이 테스트되었고, 각 감각 층이 평가를 받았습니다. 팀이 모든 장치가 계획대로 독립적으로 작동한다고 판단한 후, 장치를 결합했고, 다음 단계의 테스트가 시작되었습니다.

연구의 이 테스트 단계의 일환으로 엔지니어들은 손을 UR5 로봇 팔에 부착했습니다. 거기서부터 팀은 물건을 조작하려고 시도하기 시작했습니다. 총 15개의 일상용품이 선택되었습니다. 테스트된 품목은 파인애플, 금속 물병, 부드러운 장난감부터 물이 가득 찬 종이컵까지 다양했습니다.

결과 및 관찰

테스트 결과는 이 기술에 대한 진정한 희망을 보여주었습니다. 테스트는 그 기능에 대한 통찰력을 제공했습니다. 유연성 측면에서 하이브리드 생체 모방 손가락은 127°의 곡률과 230°의 굴곡 각도를 달성했으며 실패 지점은 없었습니다.

또한, 로봇 팔은 다재다능함을 보여주며 즉석에서 그립을 조절할 수 있었습니다. 한 번은 종이컵이 휘어지거나 물이 쏟아지는 것을 막기 위해 손가락 세 개만으로 종이컵을 잡기도 했습니다. 놀랍게도 로봇 팔 센서는 3%의 정확도로 촉각을 기반으로 물건을 분류했습니다. 이 정확도는 부드러운 로봇 손가락과 단단한 의수를 모두 능가하며, 사람과 같은 정확도를 구현했습니다.

연구 결과의 이점

이 연구가 시장에 가져다주는 이점은 로봇공학을 더 나은 방향으로 바꿀 수 있습니다. 여기서 보여준 하이브리드 기술은 로봇과 직원이 나란히 일하는 환경에서 안전을 개선하는 데 도움이 될 수 있습니다. 로봇 동료와 부딪히고 그들이 물러나 사과하는 것을 상상해보세요.

향상된 민첩성

업그레이드된 의수는 이전 모델에 비해 뛰어난 민첩성을 보여주었습니다. 부드러운 로봇과 단단한 로봇 모두에서 불가능했던 작업을 수행할 수 있었습니다. 예를 들어, 공을 중심으로 공의 움직임을 조절하여 잡는 과제를 수행했는데, 단단한 의수로서는 불가능한 작업이었습니다.

더 자연스럽다

이 스타일의 의수의 또 다른 주요 장점은 환자에게 더욱 자연스럽게 느껴진다는 것입니다. 상지 절단 환자는 의수가 해를 끼치거나 부상을 입힐까 봐 일상생활로 복귀하는 데 어려움을 느낄 수 있습니다. 이 기술은 환자가 사랑하는 사람과 다칠 걱정 없이 안전하게 소통할 수 있도록 해줄 것입니다.

의수 연구 연구원

인공 손 연구는 플로리다 애틀랜틱 대학교의 Wen-Yu Cheng이 주도했습니다. 이 프로젝트에 기여한 다른 연구자로는 일리노이 시카고 대학교의 Jinghua Zhang, Ariel Slepyan, Mark M. Iskarous, Rebecca J. Greene, Rene DeBrabander, Junjun Chen, Arnav Gupta가 있습니다.

흥미롭게도, 이 팀은 2018년에 로봇 분야에 전자 피부를 처음 도입했습니다. 이제 그들은 이 기술을 더욱 발전시켜 인간의 성능을 제공하는 유능한 보철물을 만들었습니다. 그들의 계획에는 더 많은 센서, 더 나은 소재, 그리고 강화된 그립력을 통합하여 시스템을 더욱 발전시키는 것이 포함됩니다.

인공 손 기술에 대한 실제 세계 응용 프로그램 및 타임라인

이 발전은 상지 절단 환자에게 상당한 희망을 주며, 그들이 환경과 보다 자연스럽고 안전하게 상호작용할 수 있는 능력을 제공합니다. 미래의 보철물은 이 기술을 통합하여 실제와 같은 반응을 제공할 수 있습니다. 동일한 기술이 수술 로봇을 개선하는 데에도 도움이 될 수 있습니다.

현재는 연구 단계이지만 이러한 보철 기술은 추가 개발 및 규제 승인에 따라 향후 5~10년 내에 상업적으로 출시될 수 있습니다. 이 소프트 로봇 깁 기술에 대한 몇 가지 다른 실제 적용 사례는 다음과 같습니다.

산업(공업)

산업 부문은 지난 5년 동안 로봇 기술로의 강력한 전환을 보였습니다. 이 최신 기술은 채택을 더욱 촉진하는 데 도움이 될 수 있습니다. 제조업체는 품질을 떨어뜨리지 않고 효율성을 개선하기 위해 로봇 기술을 인간 근로자와 통합하는 방법을 끊임없이 모색하고 있습니다.

이 연구에서 논의된 것과 같은 하이브리드 로봇 기능은 덜 위험하게 인간과 함께 작업할 수 있습니다. 또한 섬세한 과일이나 유리 제품과 같은 제품을 손상시키지 않고 분류하는 것과 같이 전통적으로 인간만이 하던 작업을 수행할 수도 있습니다.

농업

농업은 로봇이 활용되는 또 다른 분야입니다. 이러한 장치는 센서를 통해 작물의 건강 상태를 모니터링하고 익은 작물을 적시에 수확할 수 있도록 지원하여 수확량을 늘리는 데 도움이 될 수 있습니다. 미래에는 소프트 로봇이 파종부터 수확, 그리고 좋은 작물과 나쁜 작물을 구분하는 등 농업 과정의 많은 부분을 담당할 수 있을 것입니다.

로봇 산업을 선도하는 혁신적인 기업

로봇 분야는 더 많은 기업과 기술이 진출함에 따라 계속해서 호황을 누리고 있습니다. 로봇의 미래는 밝으며, 여러 기업이 시장에서 탄탄한 입지를 구축했습니다. 이 기업들은 더욱 민첩하고, 성능이 뛰어나며, 수명이 긴 로봇을 연구 개발하는 데 수십억 달러를 투자해 왔습니다. 로봇 분야를 선도하는 한 기업을 소개합니다.

Ekso Bionics Holdings, Inc.(나스닥: EKSO)

엑소바이오닉스홀딩스 (EKSO ) 2005년에 시장에 진출하여 외골격 기술 및 로봇 재활 장치 분야를 강화하고자 했습니다. 출시 이후 회사는 외골격 제품을 더욱 개발하는 데 중점을 둔 수많은 고급 계약을 확보했습니다.

외골격은 인간이 착용하는 로봇입니다. 그 디자인은 움직임을 보완하고 강화하도록 되어 있습니다. 따라서 공장에서 피로를 예방하거나 전장에서 군인에게 더 많은 운반 능력을 제공하기 위해 사용될 수 있습니다.

Ekso Holdings는 사지 절단으로 고통받는 환자의 삶의 질을 개선하도록 설계된 여러 가지 혁신적인 솔루션을 제공합니다. 이러한 제품과 포지셔닝 및 시장 이력은 Ekso Bionics Holdings를 귀하의 포트폴리오에 영리하게 추가할 수 있게 합니다.

Ekso Bionics Holdings에 대한 최신 소식

의수 연구와 하이브리드 로봇공학의 미래

이 연구는 자연이 이미 여러 설계 문제에 대한 최선의 해결책을 찾았을 가능성을 보여줍니다. 더 많은 엔지니어들이 자연을 모방하고자 노력함에 따라, 그들의 로봇 설계는 새로운 효율성 시대를 열 것입니다. 이 기술은 로봇이 인간과 안전하게 함께 작업하고 근로자의 삶과 제공되는 제품 모두를 개선하는 추가 서비스를 제공할 수 있도록 도울 수 있습니다.

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참고 연구:

^{1. Sankar, S., Cheng, W.-Y., Zhang, J., Slepyan, A., Iskarous, MM, Greene, RJ, DeBrabander, R., Chen, J., Gupta, A., & Thakor, NV(2025). 정확하고 유연한 움켜잡기를 위한 신경형 촉각 감지 기능을 갖춘 자연적 생체 모방 보철 손. 과학 발전, 11(10), eadr9300. https://doi.org/10.1126/sciadv.adr9300}