액정화면 깨뜨리지 않고 부드럽게 터치하는 액츄에이터 개발-인공손가락으로 전자피아노 연주, 전자책 넘기기, 화면 스크롤 내리기 시연

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2020. 11. 9.

액정화면 깨뜨리지 않고 부드럽게 터치하는 액츄에이터 개발-인공손가락으로 전자피아노 연주, 전자책 넘기기, 화면 스크롤 내리기 시연

 

등록일 2020.11.09.

 

 


액정화면 깨뜨리지 않고 부드럽게 터치하는 액츄에이터 개발
인공손가락으로 전자피아노 연주, 전자책 넘기기, 화면 스크롤 내리기 시연

□ 국내 연구진이 액정 같이 깨어지기 쉬운 화면을 부드럽게 터치해 다양한 작업을 할 수 있는 인공손가락을 선보였다.

□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 오일권 교수(한국과학기술원 기계공학과) 연구팀이 스마트폰이나 햅틱 반응형 디스플레이를 정교하게 터치할 수 있는 소프트 터치 액츄에이터 기술을 개발했다고 밝혔다.
○ 연구팀은 부드럽고 얇은 박막형의 소프트 터치 액츄에이터를 원격으로 조정, 스마트폰 화면 위에서 전자피아노 연주하기, 전자책 넘기기, 화면스크롤하기 등을 시연해냈다.
※ 액츄에이터 : 전기적 신호를 기계적 운동으로 변환하는 장치

□ 일종의 디지털 촉각인‘햅틱’을 구현, 사람 또는 전자디바이스와 섬세한 피드백을 주고받는 한편 가상현실이나 증강현실을 보다 실감나게 하려는 연구가 활발하다.
○ 주로 부드러운 인공근육 기반 소프트 액츄에이터에 대한 연구가 많이 이뤄지고 있지만, 낮은 전압에서는 반응속도가 너무 느려 터치형 액츄에이터로 활용하기에 어려움이 있었다.
○ 인체에 나쁜 영향을 주거나 디바이스의 오작동을 유발하지 않으면서 터치 피드백을 주고받기 위해서는 저전압 구동이 전제되어야 하기 때문이다.

□ 이에 연구팀은 저전압에서도 빠르게 반응할 수 있는 높은 효율의 소프트 액츄에이터를 위한 새로운 소재를 물색하였다.
○ 유연성을 위해 금속을 배제한 공유결합으로 된 다공성 고리화합물(트라이어진 고리)을 합성하고 널리 쓰이는 전도성 고분자(PE DOT-PSS)를 결합했다.
※ 트라이어진 고리(Covalent Triazine Framework, CTF) : 다공성 내인성 미세조도(PIM-1) 고분자로 이루어진 물질

□ 실제 이 소재의 액츄에이터로 만든 인공손가락은 낮은 전압(±0.5V)으로도 빠르게 큰 변형을 만들 수 있어 부드러운 터치반응을 유도할 수 있었다.
○ 핵심은 다공성 탄소구조체로 인해 비표면적을 극대화한 것이다. 비표적을 넓혀 표면전하량을 늘리는 한편 작동속도와 반응성도 높일 수 있었다. 실제 0.5V에서 17mm 정도 구부러지는 변형을 확인하였다.

□ 개발된 소프트 터치 액츄에이터를 배열형태로 확장하여 스마트폰 전자피아노 어플리케이션 위에서 연속적 터치를 통해서‘Happy Birthday’를 연주하였으며 전자책넘기기와 화면스크롤 기능 등을 구현하였다.
○ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구사업(창의연구)의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 10월 23일 게재되었다.

주요내용 설명

<작성 : 한국과학기술원 기계공학과 오일권 교수>

논문명
CTF-based soft touch actuator for playing electronic piano
저널명
Nature Communications
키워드
인공 근육, 인공 손가락, 초저전압, covalent triazine frameworks(CTFs)
DOI
https://doi.org/10.1038/s41467-020-19180-3
저 자
오일권 교수(교신저자/한국과학기술원), 만마싸 마하토(Manmatha Mahato) 박사(공동1저자/한국과학기술원), 타바시안 라솔(Rassoul Tabassian) 박사(공동1저자/한국과학기술원), 응우엔 반 히엡(Van Hiep Nguyen) 박사과정(2저자/한국과학기술원), 오세웅 박사과정(2저자/한국과학기술원), 남상희 박사과정(2저자/한국과학기술원), 황원준 석사과정(2저자/한국과학기술원)

1. 연구의 필요성
○ 최근 로봇공학 분야에서는 인간근육을 모방하여 섬세한 작업을 수행할 수 있는 인공근육형 소프트 액츄에이터 개발이 활발하다.
○ 특히, 낮은 전압(±0.5V)에서 구동하는 작동기는 인간과 협업하는 로봇을 만들기 위한 필수기술이지만, 대부분의 구동기는 낮은 전압에서 움직이지 않거나 섬세한 움직임이 불가능하다.
○ 낮은 전압에서 섬세하게 움직이는 구동기를 개발하기 위해서는 내구성, 경제성, 고전도성, 높은 정전용량, 유연성, 적절한 기계적 특성을 토대로 인공근육의 굽힘 변형을 높이는 것이 관건이다.

2. 연구내용
○ 본 연구진은 인공근육의 성능을 높이기 위해 본질적인 미세조도(PIM-1)의 중합체를 기반으로 금속없이 공유결합으로 이루어진 트라이어진 고리(CTF)를 합성했다. 합성된 CTF는 폴리(3,4-ethylenedioxythiophene)-폴리(styrenesulfonate)(PEDOT-PSS)와 결합되어 소프트 액추에이터의 유연한 전극으로 이용되었다.
○ 제안된 CTF로 만든 인공근육은 0.5V의 매우 낮은 전압에서 17.0mm의 매우 큰 변위를 보였으며, 0.1Hz의 작동 주파수에서 기존 PEDOT-PSS 기반 작동기에 비해 위상 지연이 4배 감소하였다. 탁월한 작동 성능은 주로 다공성 및 전기적 결합형 트라이아진 네트워크 구조를 가진 CTF 전극의 고유한 물리적 및 화학적 구성 때문이다.
○ 개발된 소프트 액츄에이터는 깨지기 쉬운 디스플레이에 부드러운 터치를 만들 수 있도록 배열된 인공 손가락으로 확장되었다. 개발된 부드러운 인공 손가락으로 실제 인간의 손가락과 비슷한 부드러운 터치 동작을 디스플레이 위해서 성공적으로 구현했다. 연구팀은 인공 손가락을 통해 원격으로 전자 피아노 치기, 전자책 페이지 넘기기, 그리고 화면 스크롤 기능 등의 정밀한 작업을 수행했다.

3. 연구성과/기대효과
○ 인공 손가락으로 음악 앱을 제어하고 체계적으로 실행하면서 부드러운 터치 작업을 통해 인간의 손을 대체할 수 있는 가능성을 확인했다.
○ 향후 인체착용형 로봇이나 전자가전제품들에서 적용가능한 부드러운 햅틱 피드백 시스템 개발에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.


그림 설명


(그림1) 소프트 터치용 인공 손가락 개념도
제공 : KAIST 기계공학과 ACTIVE LAB


(그림2) 스마트폰 피아노 어플리케이션 위에서 Happy Birthday를 연주하는 인공손가락

제공 : KAIST 기계공학과 ACTIVE LAB

그림 2.

 

(그림3) CTF 합성방법
(a) 다공성 CTF는 PIM-1을 기반으로 400, 500, 600℃(TP4, TP5, TP6)에서 합성되었다. 최종 3차원 고리는 질소와 산소 원자에 의해 농축된 3차원 전도성 다공성 네트워크다. 합성된 CTF는 높은 전기전도도와 초고속충전 저장 용량, 넓은 표면적의 특징으로 작동기의 성능을 크게 향상시켰다.

(b) 인공 손가락의 작동 원리는 전해질의 양이온과 음이온의 부피 차를 이용한다. 전극에 전기 입력을 주면 양이온은 음극으로, 음이온은 양극으로 이동하여 굽힘이 발생한다.
제공 : KAIST 기계공학과 ACTIVE LAB

 


(그림4) 인공 손가락의 성능 및 활용 방안
(a-c) 600℃에서 열처리한 CTF를 포함하는 전극(TP6PP)으로 이루어진 작동기는 CTF를 포함하지 않는 전극으로 이루어진 작동기에 비해 굽힘이 약 2.2배 향상했다. (a) DC, (b-c) AC 자극에 제안된 CTF 기반 액추에이터는 200초 후에도 작동기의 굽힘 변위는 유지되었다.

(d) 10개의 부드러운 액츄에이터(TP6PP)를 사용하여 인공 손을 제작했다. 원격 키보드를 연주하자 부드러운 작동기가 자극을 받아 화면의 해당 피아노 키에 손가락을 대도록 했다. 준비된 인공 손가락을 사용하여 'Happy Birthday'를 연주했다.
제공 : KAIST 기계공학과 ACTIVE LAB


연구 이야기

<작성 : 한국과학기술원 만마싸 마하토 박사>
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

연구 초기 단계에서 다공성 기능성 CTF 물질을 합성하였고 이를 적용하여 고성능 인공근육형 액츄에이터를 개발하였습니다. 새로 개발된 소프트 액츄에이터를 소프트 로봇의 새로운 기능을 구현해 보고자 고민하다고 최종적으로 깨지기 쉬운 디스플레이에서 소프트 터치를 통해 전자피아노 치기, 전자책 페이지 넘기기, 그리고 화면 스크롤 기능 등을 성공적으로 구현하였습니다.


□ 연구 전개 과정에 대한 소개

이질 원자 도포 다공성 탄소 전극은 높은 표면적으로 전해질 접근성이 용이하며, 우수한 표면 전하 캐패시턴스를 제공할 수 있기 때문에 이온 소프트 액추에이터의 작동 성능 향상에 중요한 역할을 할 수 있습니다. 그래핀과 탄소 나노튜브와 같은 다른 보고된 물질들은 전기 전도성이 매우 높지만 정전용량은 다소 부족합니다. 따라서 일부 전기용량이 큰 물질이 있는 복합 재료의 형태가 아닌 한 이온성 작동기에 적합하지 않습니다. MXene은 높은 전기 전도성과 캐패시턴스를 모두 보여주지만 공기 산화에는 취약합니다. 그래서 우리는 이상적인 소프트 이온 작동기에 높은 전도성과 캐패시턴스를 가지고, 대기 중에서 안정성을 가진 다공성 유기물질의 종류인 CTF를 설계하고 합성했습니다.

 

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

인공 근육에 쓰이는 전극을 잉크 형태로 만들기 위해 합성 CTF에 적합한 용매 찾기와 CTF의 적당한 질량비를 찾기가 힘들었습니다. CTF의 특성을 알아보기 위해 여러 용매를 실험하던 중 DMSO용매가 CTF와 잘 섞이는 것을 발견했습니다. 그리고 여러 질량비로 이루어진 인공 근육을 만들며 최적의 질량비를 찾아냈습니다.

 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

이러한 성과는 깨지기 쉬운 디스플레이 표면에서 성공적으로 소프트 터치반응을 구현해 냈다고 하는 것이 새로운 연구결과이고 이는 소프트 로봇 기술 중의 하나로 미래 연구의 폭넓은 관심을 가져오고 새로운 패러다임을 연 것입니다.

 

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

개발된 기술은 사람의 손 사용이 제한된 분야에서 손을 대체하여 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 바이오의약품 기기 분야의 전문 기술자의 도움을 받아 적절한 설계를 하거나, 유해환경에서 행해지는 실험의 제어를 위한 특정 앱의 조작으로 실질적인 구현을 할 수 있습니다.


□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

소프트 로보틱스의 여러 공학적 산물들을 보며 실생활에 적용되지 않는 것이 안타까웠습니다. 이번 연구를 계기로 산물이 실제 생활에 적용될 수 있다는 가능성을 확인하였습니다. 앞으로 CTF와 같은 물질을 연구하고, 새로운 구동원리를 가진 인공근육을 만들어 실생활에 깊이 파고드는 기계를 만들고 싶습니다.