인체의 감각기관을 원형에 가깝게 모사
생체신호측정, 인공 촉각, 로봇 피부 등 다양한 산업용 센서로 활용 기대
인체는 여러 종류의 피부 감각 수용기(Receptor)를 통해 압력, 진동, 터치, 인장 등 다양한 감각을 동시에 측정하며, 특히 감각 수용기는 빠른적응과 느린적응의 두 종류 신호 발생을 이용해 복잡한 자극을 매우 명확하게 구별한다.
최근에는 생체 피부감각기관을 모방한 다양한 형태의 압력 및 터치의 감지를 측정할 수 있는 무전원 고민감 센서에 관한 관심이 높아지고 있다. 압력 및 터치 센서는 다양한 환경에서의 힘에 의한 변형 혹은 미세한 압력, 진동 및 터치를 감지함으로써 의료, 자동차, 항공, 가전, 환경 등의 폭넓은 분야에서 활용되고 있다. 그러나 현재까지 개발된 센서는 낮은 감도, 높은 구동전력 등의 문제를 가지고 있어 개선이 필요하다.
*(A) 인체 피부 내의 네 가지 기계적 수용기와 이온채널을 통한 이들의 두 가지 수용기 신호(느린응답: Merkel disk, MD; Ruffini cylinder, RC; 빠른응답: Meissner corpuscle, MC; Pacinian corpuscle, PC)
(B) 인공 압력 피부센서의 단면도 및 구조도. 느린응답: 이온채널 내부에서 발생되는 신호, 빠른응답: 압전필름에서 발생되는 신호. 압력전가시 순간적으로 하나의 시스템으로 작동. 스케일바: 100 마이크로미터).
고려대학교 한창수 교수 연구팀이 인체의 감각기관을 원형에 가깝게 모사하여 전원 없이 작동하는 초정밀 인공피부센서를 개발했다고 과학기술정보통신부은 밝혔다.
연구팀이 개발한 피부센서는 외부 자극에 의해 이온이 이동하면서 신호가 전달되는 원리를 이용함으로서 별도의 에너지원 없이 구동될 수 있으며, 자극에 대한 빠른적응ㆍ느린적응의 두 가지 신호를 동시에 측정함으로써 혈압, 심전도, 물체 표면의 특징, 점자의 구별 등 매우 정밀한 감지 능력을 보였다.
연구팀은 인체 피부감각기관을 모방하여 전력발생부, 압력 수용기, 전해질, 기공막의 네 가지 요소를 결합하여 두 가지 피부감각기관 신호를 발생시키는 무전원의 고감도 피부센서를 구현하였다.
특히, 자체동력을 위해 압전필름을 이용하였고, 압력 인가시 압전필름부에서 발생하는 빠른적응신호와 이온채널부에서 발생되는 느린적응 신호의 두가지 신호를 통해 보다 상황판단을 정확히 하고, 다중 촉각 자극에 대해 인지할 수 있는 센서 기능을 연구하였다. 특히, 혈압이나 심전도를 동시에 측정할 수 있는 기반을 마련하였으며, 웨어러블 건강모니터링 및 향상된 로봇피부 개발을 앞당길 수 있으리라 생각한다.
생체 피부 소체 중 느린적응 특성을 나타내는 메르켈 디스크(Merkel disk)의 경우 아주 작은 압력의 터치에 반응하는 소체인데 이러한 신호 유형은 본 이온채널 소자에서 이온채널부의 느린적응 곡선을 통해 구현할 수 있다.
생체 피부 소체 중 빠른적응 특성을 나타내는 파시니언 소체(Pacinian corpuscle)의 경우 표면 질감이나 물건을 잡고 있는 기능과 같은 다양한 경우에 반응하는 소체인데 본 이온채널 소자에서 이온채널부의 느린적응 곡선 신호와 압전필름을 통해 발생되는 빠른적응 곡선의 상호 분석을 통해 보다 정확하게 파악할 수 있었다.
기존의 전자회로 기반의 압력센서와는 달리 본 이온채널 기반센서는 습도에 영향 받을 수 있는 전자 회로, 증폭기, 전기적 요소를 요구하지 않기 때문에, 높은 습도 범위에서도 동작이 가능하다.
실시간으로 인체 혈압 및 심탄도의 신호 유형을 모니터링 하였다. 직접적으로는 맥박을 구할 수 있으며, 간접적으로는 혈압을 유추할 수 있다.
다양한 표면질감의 센싱, 진동에 따른 빠른응답 특성, 물체의 감각적 힘 유지, 점자의 인식 등 다양한 촉감관련 인지 연구를 통해 매우 넓은 분야로의 응용을 제시하였다.
한창수 교수는 “이 연구는 기존 실리콘 기반 방식과 다른 새로운 패러다임의 센서”라며, “생체신호 측정, 로봇피부의 성능 개발 및 개선에 기여하고, IoT와 연계하여 무전원 고감도의 센싱 모니터링 체계를 구축하여 다양한 산업분야에 적용될 것으로 기대된다”라고 연구 의의를 설명했다.