Rivaling Foil Gauges: A Soft De-Shorting Strain Sensor with Intrinsic Off-Axis Insensitivity

로봇이 딱딱한 금속과 기어로 만들어지는 대신, 실리콘이나 고무처럼 말랑말랑하고 신축성 있는 재료로 만들어지는 세상을 상상해 보세요. 이러한 "소프트 로봇"은 좁은 틈을 비집고 들어가거나, 달걀처럼 깨지기 쉬운 물체를 다룰 수 있고, 사람에게 상처를 입히지 않고 안전하게 상호작용할 수 있다는 점에서 매우 놀랍습니다. 하지만 한 가지 문제가 있습니다. 진정으로 똑똑하고 도움이 되려면, 로봇은 공간 속에서 자신의 몸이 어디에 있는지 알아야 합니다. 이 능력을 **고유 수용 감각(proprioception)**이라고 부릅니다. 이것은 마치 여러분 자신의 촉각과 신체 위치 감각과 같습니다. 눈을 감고 있어도 근육과 피부가 뇌로 신호를 보내기 때문에 팔이 올라가 있다는 것을 알 수 있는 것과 같습니다.

딱딱한 금속 로봇의 경우, 이는 쉽습니다. 정밀한 엔코더가 결합부가 얼마나 회전했는지 정확하게 계산해주기 때문입니다. 하지만 소프트 로봇은 관절이 없고 국수처럼 구부러지고 뒤틀립니다. 로봇의 형태를 파악하기 위해 엔지니어들은 보통 신축성 있는 센서를 로봇에 붙이려고 시도합니다. 그러나 대부분의 유연한 센서는 지저분합니다. 이들은 종종 "히스테리시스(hysteresis) 현상"이 발생하는데, 이는 센서를 늘렸다가 놓았을 때 원래의 측정값으로 완전히 돌아오지 않아 로봇을 혼란스럽게 만드는 것을 의미합니다. 또한 라디오의 잡음처럼 "노이즈"가 많아 미세한 움직임을 파악하기 어렵습니다. 무엇보다 최악인 것은, 일반적인 센서의 경우 소프트 로봇이 옆으로 구부러지면 그것을 길이 방향으로 늘어난 것으로 착각하여 로봇이 자신이 무엇을 하고 있는지 잘못 이해하게 만든다는 점입니다.

여기서 저장천대학교(Zhejiang University of Technology) 연구진의 새로운 발명품이 이 지저집한 문제를 해결하려고 합니다. 그들은 특수한 신축성 센서를 만들었는데, 이는 부드러운 고무줄이라기보다는 정밀한 금속 자처럼 작동합니다.

자오 쉬(Zhao Xu)와 이 송(Yi Song)이 이끄는 팀은 **슬라이딩 전극 디쇼팅 변형률 센서(sliding-electrode de-shorting strain sensor, SEDSS)**라고 불리는 장치를 개발했습니다. 이 장치의 작동 원리를 이해하려면, 특수한 전도성 액체(이온성 액체)로 채워진 길고 투명하며 신축성 있는 빨대를 상상해 보세요. 이제 이 빨대 깊숙이 두 개의 금속 와이어를 꽂되, 끝까지 관통하지는 않는다고 가정해 봅시다. 처음에는 이 두 금속 와이어가 너무 가까이 있어서 액체를 단락(short-circuit)시켜 버리며, 결과적으로 빨데 안의 액체 대부분을 무시하게 됩니다. 오직 와이어 끝 사이의 아주 작은 액체 간격만이 실제로 무언가를 측정하게 됩니다.

여기에 마법 같은 기술이 있습니다. 빨대를 잡아당겨 늘리면, 빨대는 길어지지만 내부의 금속 와이어 길이는 그대로 유지됩니다. 빨대가 늘어남에 따라, 와이어는 빨대의 벽에 대해 상대적으로 뒤로 미끄러지듯 움직입니다. 와이어가 미끄러지면서, 이전에 무시되었던 액체를 점점 더 많이 "해제(un-short)"하거나 더 많은 액체를 포함하게 됩니다. 갑자기, 이 작은 활성 액체 간격이 점점 더 길어지며, 회로에 더 많은 전도성 유체를 포함하게 되는 것입니다.

이는 센서가 작동하는 방식의 영리한 변화입니다. 대부분의 유연한 센서는 재료 자체의 내부 구조가 변하는 것(예: 균열이 생기거나 입자가 이동하는 것)에 의존하여 신호를 만듭니다. 이 과정은 지저분하고 느려서 앞서 언급한 "히스테리시스"와 노이즈를 유발합니다. 하지만 이 새로운 센서는 기하학적 구조에 의존합니다. 이것은 마치 수도꼭지와 같습니다. 금속 와이어는 손잡이고, 액체는 물입니다. 손잡이를 돌리는 것(빨대를 늘리는 것)은 단순히 밸브를 열어 더 많은 물이 흐르게 하는 것과 같습니다. 이는 신축성 있는 재료의 상태나 이력에 의존하지 않는, 깨끗하고 기계적인 움직임입니다. 이 센서는 금속 와이어의 정밀한 움직임에서 신호가 나오기 때문에 믿을 수 없을 정도로 안정적이고 조용합니다.

연구진은 이 "액체-강체-연성(liquid-rigid-soft)" 설계를 테스트했으며, 이 센서가 중공업에서 사용되는 표준 금속 센서만큼의 성능을 보여주면서도 소프트 로봇의 유연성을 갖추고 있음을 발견했습니다. 0%에서 30%의 신축 구간 동안, 이 센서는 단 0.23%의 히스테리시스만을 보였습니다. 이를 체감해 보자면, 금속 게이지만큼이나 완벽에 가깝습니다. 또한 1% 변형률에서 **59 dB의 신호 대 잡음비(SNR)**를 기록했는데, 이는 신호가 매우 크고 명확하며, 입력 변형률 노이즈가 **11 마이크로스트레인(µε)**만큼 낮다는 것을 의미합니다. 즉, 이 센서는 3,300만 분의 33만큼 작은 변형도 감지할 수 있을 정도로 믿을 수 없을 만큼 민감합니다.

가장 흥激한 부분은 이 센서가 "축 외(off-axis)" 문제, 즉 옆으로 굽히거나 뒤틀리는 상황을 어떻게 처리하는가 하는 점입니다. 소프트 로봇은 종종 옆에서 구부러지거나 뒤틀리거나 눌리게 됩니다. 일반적인 센서는 이런 상황에서 혼란을 겪어 섞인 신호를 보냅니다. 하지만 SEDSS는 본질적으로 이러한 문제로부터 자유롭습니다. 센서 내부 액체의 96%가 금속 와이어에 의해 "단락(shorted)"되어 무시되기 때문에, 센서를 구부리거나 비틀어도 주로 무시되는 부분에 영향을 미칩니다. 활성 부분은 오직 길이의 변화에만 반응합니다. 연구팀은 센서를 360도 구부리고, 360도 비틀고, 50% 압착하는 극한의 실험을 진행했습니다. 이 모든 경우에도 센서의 출력은 거의 흔들리지 않았으며, 전체 신호의 0.5% 미만을 유지했습니다. 즉, 이 센서는 구부림이나 뒤틀림의 "노이즈"를 효과적으로 걸러내고 오직 늘어남에만 집중합니다.

이것이 실제로 작동함을 증명하기 위해, 연구팀은 부드러운 실리콘 기둥(거대한 유연한 손가락 같은 형태)을 만들고 그 위에 이 센서 3개를 붙였습니다. 그리고 컴퓨터가 이 3개의 센서 신호만을 읽어 기둥의 모양을 추측하도록 학습시켰습니다. 카메라나 다른 도구 없이도, 시스템은 기둥이 구부러지거나 뒤틀릴 때 실시간으로 3D 형태를 재구성할 수 있었습니다. 컴퓨터는 끝단의 위치를 약 6.20 mm의 오차로, 각도를 3.20도의 오차로 정확히 예측했습니다. 이는 몇 개의 고품질 센서만으로도 소프트 로봇이 복잡하고 혼란스러운 전선 뭉치나 무거운 카메라 없이 자신의 몸 형태를 "알 수 있음"을 보여줍니다.

논문은 이 "디쇼팅(de-shorting)" 메커니즘이 유연한 센서를 만드는 새로운 방법을 제시한다고 결론짓습니다. 현재 버전은 세심한 수동 조립이 필요하여 와이어의 초기 위치에 작은 오차가 발생할 수 있지만, 저자들은 더 나은 제조 도구가 갖춰진다면 이것이 소프트 로봇이 세상과 안전하고 지능적으로 상호작용하는 데 필요한 촉각과 신체 인지 능력을 부여하는 표준적인 방법이 될 수 있다고 제안합니다.