존스홉킨스대, 사람 피부 촉각 모사한 하이브리드 로봇 의수 개발

물이 가득 찬 얇은 일회용 플라스틱 컵을 집는 일은 사람에겐 너무나 자연스럽지만, 의수를 착용한 사람에겐 지극히 까다로운 도전이었습니다. 단단한 금속 의수는 힘은 세지만 컵을 단번에 찌그러뜨리고, 유연한 소프트 로봇 의수는 부드럽지만 힘이 없어 물체를 떨어뜨리기 일쑤입니다. 게다가 두 방식 모두 손끝에 닿는 감각을 느끼지 못한다는 치명적인 한계가 있었습니다.

미국 존스홉킨스대 연구진이 이 문제를 해결할 새로운 '생체 모방형 하이브리드 의수'를 개발했습니다. 지난 3월 5일 국제학술지 사이언스 어드밴시스(Science Advances)에 실린 연구에 따르면, 연구진은 단단한 내부 골격과 부드러운 실리콘 관절을 결합하고 손끝에 사람의 피부를 모방한 3중 촉각 센서를 탑재했습니다.

단단한 뼈대와 유연한 관절, 3층 인공 피부의 결합

연구진은 단단한 로봇과 부드러운 로봇 사이에서 하나를 고르는 대신 인간의 손 구조를 그대로 본떴습니다. 인간의 손이 단단한 뼈와 유연한 연조직의 결합체라는 점에 착안한 것입니다.

3D 프린터로 제작한 폴리락트산(PLA) 소재의 단단한 골격 주위를 독립 제어가 가능한 드래곤스킨 실리콘 공압 관절로 감쌌습니다. 손가락 하나마다 세 개의 관절이 유기적으로 움직여 물체 형태에 맞춰 자연스럽게 감싸 쥘 수 있습니다.

가장 눈에 띄는 혁신은 손끝 센서입니다. 인간 피부의 기계수용기를 모방해 외층과 중층에는 압저항 섬유 센서를, 내층에는 압전 센서를 겹쳐 넣었습니다. 이 다층 센서가 미세한 진동부터 압력, 피부 당김까지 복합적으로 감지해 신경 펄스 형태의 전기 신호로 변환합니다.

실험실 테스트 결과는 인상적이었습니다. 26가지 표면 질감을 구별하는 테스트에서 98.38%의 정확도를 기록해, 기존 소프트 로봇 손가락(82.31%)이나 단단한 의수 손가락(83.02%)을 압도했습니다. 인형, 과일, 식기 등 15가지 일상용품을 다룰 때도 99.69%의 분류 정확도를 보였으며, 물이 담긴 얇은 플라스틱 컵을 단 세 손가락으로 찌그러뜨리지 않고 들어 올리는 데 성공했습니다.

4분의 1 압력으로 3배 힘내지만, 소형화 과제 남아

에너지 효율 면에서도 큰 진전을 이뤘습니다. 기존 소프트 로봇 핸드가 28psi 압력으로 0.55뉴턴의 악력을 내는 데 그친 반면, 이번 하이브리드 의수는 4분의 1 수준인 7psi 압력만으로 3배가 넘는 1.8뉴턴의 악력을 만들어냈습니다.

제어 방식은 기존 첨단 의수와 마찬가지로 팔에 남은 근육의 전기 신호를 감지하는 근전도(EMG) 센서를 활용합니다.

다만 아직 상용화까지는 갈 길이 멉니다. 1.8뉴턴의 힘은 소프트 로봇치고는 높지만, 실제 사람 손가락의 힘(약 32뉴턴)이나 기존 금속 의수(약 34뉴턴)에 비하면 무거운 짐을 들기엔 턱없이 부족합니다. 공압 작동을 위해 외부 공기 압축기와 밸브를 연결해야 한다는 점, 그리고 실제 절단 장애인을 대상으로 한 신경 피드백 임상 시험이 아직 이뤄지지 않았다는 점도 한계로 꼽힙니다.

왜 중요한가

의수 사용자들에게 촉각이 없다는 것은 단순히 감각이 무딘 것을 넘어, 물건을 쥐고 있을 때 언제 놓칠지 몰라 끊임없이 눈으로 감시해야 하는 인지적 피로를 뜻합니다. 우리가 보기에 이번 연구가 탁월한 이유는 억지로 단단한 소재나 부드러운 소재 한쪽에 매몰되지 않고, 인체 해부학의 본질인 '골격-연조직-다층 감각'의 삼각 구조를 충실히 복원해 냈다는 점입니다.

손끝 자체에서 물체의 미끄러짐과 질감을 뉴로모픽 방식으로 연산해 내기 때문에, 사용자가 온 신경을 쏟지 않아도 와인잔을 깨뜨리지 않고 계란을 집는 수준의 일상 동작이 가능해집니다.

의수뿐 아니라 차세대 휴머노이드 로봇 생태계에도 시사하는 바가 큽니다. 가사 도우미나 제조 현장에 투입될 로봇 핸드가 고가의 복잡한 센서 모듈 없이도 깨지기 쉬운 식기나 의류를 조심스럽게 다룰 수 있는 현실적인 하드웨어 청사진을 보여줬기 때문입니다.

하지만 컴프레서 같은 외부 공압 장치를 착용형 크기로 줄여내는 과제가 남아있습니다. 이 유연한 구조를 모터 구동계로 전환하거나 초소형 펌프 시스템을 구축하지 못한다면, 기술적 완성도와 별개로 실험실 데모에 머물 위험이 있습니다.