파킨슨병 환자 돕는 로봇손 구현...

서울공대 재료공학부 이태우 교수팀, 거미줄 닮은 친환경 압력센서 개발
- 고감도·빠른 응답·우수한 내구성 모두 확보한 유연 압력센서 제시
- 웨어러블 AI 헬스케어 로봇, 재활 보조기기, HMI 핵심 기술로 활용 기대
- 국제 저명 학술지 Nature Communications 논문 게재
 

▲ (왼쪽부터) 이태우 서울대학교 재료공학부 교수, 다이 징(Jing Dai) 방문연구원(중국 전자과기대학교 박사과정생), 김관녕 서울대학교 재료공학부 석박사통합과정생

웨어러블 AI 헬스케어 로봇과 사용자 친화형 로봇의 핵심 기술로 활용될 수 있는 고성능 생분해성 압력센서가 개발됐다.

서울대학교 공과대학은 재료공학부 이태우 교수 연구팀이 자연 상태의 거미줄의 다중스케일 구조에서 영감을 받아 높은 민감도와 빠른 응답속도, 우수한 기계적 안정성을 동시에 갖춘 친환경 인공 거미줄 압력센서*를 구현했다고 밝혔다.
* 인공 거미줄 압력센서 : 거미줄의 다층 섬유 및 메쉬 구조를 모사해 압력을 효율적으로 전달하고 전기 신호로 변환하는 유연 압력센서.

사람의 맥박, 호흡, 발성, 손가락 움직임을 실시간 감지할 수 있는 이 센서는 로봇손의 제어 시스템과 연동시킬 경우, 파킨슨병 재활 보조 기기와 친환경 웨어러블 디바이스, 사용자 친화형 로봇에 널리 응용될 수 있다. 

이번 연구성과는 7월 4일 세계적 권위의 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 게재됐다.

앞서 이 교수팀은 각각 올해 1월, 2월, 4월에 ‘네이처(Nature)’ 본지, 올해 1월에 ‘사이언스(Science)‘ 본지에 연구성과를 연이어 발표하며 과학 학술지의 양대 산맥인 두 저널에 4편의 논문을 게재한 바 있다. 아울러 지난 6월 ’네이처 머티리얼스(Nature Materials)‘에도 연구성과를 발표하며 웨어러블 디스플레이 소재·소자 개발, 디바이스 원천기술 확보에 관한 세계적 경쟁력을 입증했다.

■ 연구 배경

웨어러블 전자소자는 스마트워치와 같은 단순한 건강 모니터링 기기를 넘어, 사용자의 움직임과 생체 신호를 실시간 감지해 로봇·보조기기·의료 시스템과 연동하는 인간-기계 인터페이스(HMI)* 기술로 발전하고 있다. 특히 피부나 관절에 부착된 상태에서 맥박, 호흡, 음성, 관절 움직임 등 인체 내 다양한 압력 신호를 직접 측정할 수 있는 ’유연 압력센서‘는 웨어러블 헬스케어 AI 로봇, 재활 로봇, 사용자 친화형 로봇의 핵심 소자로 주목받고 있다.
* 인간-기계 인터페이스 : 사람의 생체신호나 움직임을 기계, 로봇, 컴퓨터 시스템의 입력 신호로 변환하여 사람과 기계가 상호작용하도록 하는 기술.

그러나 기존의 유연 압력센서는 높은 민감도와 빠른 응답속도, 우수한 기계적 안정성을 동시에 확보하기 힘든 한계가 있었다. 미세한 압력도 정확히 감지할 수 있도록 구조를 복잡하게 만들면 반복적인 압력과 굽힘으로 쉽게 손상되고, 구조를 튼튼하게 만들면 작은 압력 변화에 대한 감도가 낮아졌기 때문이다.

또한 비분해성 소재로 만든 대부분의 웨어러블 전자소자는 사용 후 폐기물을 발생시키는 문제가 있었다. 생분해성 소재를 활용하여 지속가능한 유연 압력센서를 개발할 필요성이 커진 이유다. 

■ 연구 성과

이 문제의 해결에 나선 이태우 교수 연구팀은 자연 상태의 거미줄이 지닌 다층 섬유 구조, 메쉬(Mesh) 구조, 코어-쉘(Core-shell) 구조에서 영감을 받아, 다중스케일의 인공 거미줄 압력센서를 개발하는 데 성공했다.

거미줄은 작은 진동을 빠르게 감지하면서도 외부 충격을 전체 구조로 넓게 분산시켜 안정성을 유지한다. 이러한 원리를 센서 구조에 적용한 연구팀은 압력을 효과적으로 전달하면서, 반복 사용에도 견딜 수 있는 내구성을 지닌 3차원 섬유 네트워크를 제시했다.

먼저 연구팀은 생분해성 고분자인 폴리젖산(Polyactide, PLA)*을 구리 메쉬 위에서 전기방사 (Electrospinning)* 공정으로 제작해 거미줄과 유사한 섬유 골격을 만들었다. 이후 전도성 탄소 잉크, 전도성 은 나노와이어를 코팅하여 섬유 표면에 전도성 네트워크를 형성했다. 이 구조에서는 압력이 가해질 때 전도성 입자와 나노와이어 사이의 접촉 면적이 증가하고, 나노미터(nm) 수준에서 전자 이동 경로가 빠르게 형성된다. 이로 인해 압력의 작은 변화도 증폭되어 전기 신호로 변환된다.
* 폴리젖산 : 생분해성이 있는 고분자 소재로, 사용 후 자연적으로 분해되어 친환경 전자소자 소재로 활용 가능하다.
* 전기방사 : 고전압 전기장을 이용해 고분자 용액을 매우 가는 섬유 형태로 뽑아내는 공정. 유연하고 통기성 있는 나노섬유 필름 제작에 활용된다.

이렇게 전도 경로 변화와 압력 전달이 동시에 최적화되면서, 인공 거미줄 압력센서는 높은 민감도와 우수한 내구성을 함께 확보했다. 즉, 기존 유연 압력센서의 한계였던 민감도와 내구성 간 상충 문제를 자연 모사 구조의 설계로 해결한 것이다. 

연구팀이 사람의 손목과 목 부위에 부착한 해당 센서는 맥박, 호흡, 발성, 관절 움직임 등 다양한 생체 신호를 실시간으로 측정했다. 그리고 측정된 압력 신호를 인공지능 신경망으로 분석해 개인별 생체 상태를 높은 정확도로 정밀하게 분류했다. 이는 이 교수팀이 개발한 센서가 단순히 생체 신호를 측정하는 데 그치지 않고, 사용자의 생체 상태를 해석하는 지능형 웨어러블 시스템으로 활용될 가능성을 시사한다.

또한 손가락에 부착한 센서를 로봇손 제어 시스템과 연동한 실험에서 센서는 사용자의 굽힘 각도와 압력 세기를 감지하고, 이를 로봇손의 제어 신호로 변환했다. 그 결과, 로봇손은 사용자의 움직임에 맞춰서 쥐는 힘과 각도를 조절하고, 복잡한 손가락 제스처를 구현할 수 있었다.   

■ 기대 효과

이번에 이태우 교수팀이 개발한 인공 거미줄 압력센서는 미세한 운동 조절이 어려운 파킨슨병 환자의 재활 보조, 지능형 의수, 웨어러블 AI 헬스케어 로봇, 사용자 친화형 로봇, 소프트 로보틱스, 원격 헬스케어 시스템 등 다양한 분야에서 활용될 것으로 기대된다. 그리고 블루투스를 통한 생체 신호의 무선 전송 및 실시간 시각화가 가능한 무선 센서 네트워크, 생분해성 소재 설계라는 강점 덕분에 지속가능성을 갖춘 차세대 스마트 헬스케어 플랫폼으로 확장될 수 있다. 

나아가 이번 연구성과는 한국이 보유한 웨어러블 전자 기술의 전반적인 국가 경쟁력을 높일 전망이다.

■ 연구책임자 의견

이태우 교수는 “이번 연구는 자연 상태 거미줄의 구조적 원리를 모사해 유연 압력센서의 고질적 한계였던 고감도, 빠른 응답, 반복 안정성 간 상충 문제를 해결한 성과”라며 “특히 생분해성 소재를 기반으로 고성능의 압력 감지와 친환경성을 동시에 구현했다는 점에서 지속가능한 웨어러블 전자소자의 새로운 방향을 제시한다”고 밝혔다.

아울러 “향후 이 기술을 사용자 친화성과 지속가능성을 함께 갖춘 차세대 인간-기계 인터페이스의 핵심 원천기술로 발전시켜 나갈 계획”이라고 덧붙였다.

▲ 그림. 생분해성 소재 기반 다중스케일 인공 거미줄 압력 센서 및 헬스케어 AI/ 파킨슨병 환자 거동 감지/ 휴먼-머신 인터페이스 응용

[참고자료]
- 논문명/저널: Multiscale artificial spider web for comprehensive pressure sensing and human-machine interaction / Nature Communications
- DOI: https://doi.org//10.1038/s41467-026-74200-y

[문의]
- 서울대학교 재료공학부 이태우 교수 / twlees@snu.ac.kr
- 서울대학교 재료공학부 김관녕 연구원 / knkim1210@snu.ac.kr