MIT 엔지니어, 휘고 비틀리는 움직임을 디지털로 추적하는 형상 감지 시트 개발

MIT 엔지니어들이 휘거나 비틀릴 때 자신의 형태를 디지털로 재구성하는 유연한 형상 감지 시트를 개발했다.

이 센서는 사람의 신체 움직임을 추적해 가상 아바타가 그대로 따라 하도록 하는 일부 모션 캡처 의상과 원리가 비슷하다. 이런 의상은 주요 위치에 단단한 센서를 꿰매 넣는 방식이다.

반면 연구팀의 새로운 설계는 부드럽고 신축성 있는 시트 전체에 여러 개의 부드러운 광섬유를 지그재그로 배치한다. 시트가 휘면 광섬유도 함께 휘면서 내부를 통과하는 빛의 패턴이 바뀐다. 연구진은 휘어짐에 따라 달라지는 빛의 패턴을 실시간으로 해석해 시트와 똑같이 움직이는 디지털 이미지를 만드는 알고리즘을 개발했다. 연구팀은 이 설계가 손상에도 강하다는 점을 보여 줬다. 광섬유 몇 개가 잘리거나 연결이 끊어져도 나머지 광섬유로 시트의 전체 형상을 정확하게 재구성할 수 있다.

“저희 시스템은 전체가 부드럽고 신축성 있는 감지 표면을 목표로 하고 있어, 사람이나 부드러운 주변 환경과 상호작용할 때 더 안전할 가능성이 있습니다.” MIT 기계공학 대학원생 Qifan Yu의 설명이다.

연구팀은 이 새로운 설계로 부드럽고 유연한 의상을 만들 수 있을 것으로 보고 있다. 사용자가 편안하게 착용하고 몸의 움직임으로 비디오게임 캐릭터나 원격 조종 로봇을 제어하는 의상이다. 시트는 물리치료 현장에서도 활용할 수 있다. 환자의 다리나 팔을 감싸 매 치료 시간마다 움직임 능력과 관절 가동 범위를 추적하고 기록하는 방식이다.

“물리치료에서는 예를 들어 환자가 재활 중 팔을 어떻게 움직이고 뻗는지에 관한 데이터를 수집해야 할 때가 많습니다.” Yu는 말한다. “표면 형상 감지는 그런 용도로 매우 유용할 수 있습니다.”

Yu와 동료들은 학술지 어드밴스드 인텔리전트 시스템스에 게재되는 연구에서 이 설계를 소개한다. MIT 소속 공동 저자는 대학원생 Nina Cao와 기계공학 조교수 Kaitlyn Becker다.

빛의 형태

연구팀의 형상 감지 설계는 일반적인 광섬유를 변형한 것이다. 도파관이라고도 하는 광섬유는 빛을 섬유 내부로 효율적으로 전달하도록 설계된다. 광섬유는 유리 같은 투명한 소재로 된 코어를 어둡고 불투명한 클래딩으로 감싼 구조다. 광섬유 한쪽 끝으로 빛을 보내면 어두운 클래딩이 빛을 유리 코어 안에 가둔다. 코어 자체는 매우 매끄러워 빛이 거의 완벽한 효율로 광섬유를 곧바로 통과할 수 있다. 도파관은 초고속의 효율적인 데이터 전송과 통신을 위한 광케이블에 사용된다.

과학자들은 도파관을 간단한 형상 센서로 사용하는 실험도 해 왔다. 광섬유가 휘면 끝까지 통과할 수 있는 빛의 양이 달라진다. 광섬유가 더 많이 휠수록 반대쪽 끝에서 나오는 빛은 줄어든다. 따라서 끝에서 나오는 빛의 양으로 광섬유가 얼마나 휘었는지 측정할 수 있다. 이런 방식으로 광섬유는 단순한 곡률을 감지하는 데 사용돼 왔다.

“도파관으로 선의 형태를 감지하고, 이를 로봇 팔에 적용해 어떻게 휘는지 살펴본 사례는 있습니다.” Yu는 말한다. “하지만 표면의 3D 형상을 재구성하는 표면 형상 감지에는 적용되지 않았습니다. 저희가 여기서 하려는 일이 바로 그것입니다.”

광섬유의 변형

연구진은 새로운 설계를 위해 몇 가지 변형을 가한 광섬유를 직접 제작했다. 기존 도파관처럼 투명한 코어를 어두운 클래딩으로 둘러싸는 구조로 만들었다. 다만 단단한 유리 대신 투명하고 유연한 고무 코어를 사용했으며, 클래딩은 같은 고무 소재를 검게 염색해 만들었다.

또 코어 전체를 매끄럽게 유지하는 대신 한쪽 면을 일부러 거칠게 만들었다. 연구진은 광섬유의 한쪽 면이 다른 쪽보다 거칠면, 광섬유가 한 방향으로 휘었을 때 통과하는 빛이 거친 표면에서 산란해 반대쪽 끝으로 나오는 빛의 총량에 영향을 줄 것이라고 생각했다. 이 양은 광섬유가 같은 각도로 매끄러운 면 쪽을 향해 휘었을 때 통과하는 빛의 양과 다를 것이다. 따라서 한쪽 면만 거칠게 만든 광섬유는 양방향 형상 센서로 작동할 수 있다는 구상이다.

연구팀은 양방향 광섬유 여러 개를 제작하고, 시트가 휘거나 비틀릴 때 형상을 재구성할 수 있는 배열로 부드러운 실리콘 시트 안에 넣으려 했다. 이를 위해 연구진은 단순한 바둑판 형태부터 서로 교차하는 지그재그 배열까지, 다양한 광섬유 패턴을 넣은 시트를 시뮬레이션했다.

연구진은 시트를 여러 방식으로 휘거나 비트는 상황을 시뮬레이션하고, 각 시트에 배치된 광섬유에서 나오는 빛의 양을 측정했다. 이 측정값을 각 광섬유가 얼마나 휘었을지에 대한 추정치로 변환한 뒤, 이를 결합해 시트의 전체 3D 형상을 재구성하고 원래 시뮬레이션한 시트 형상과 비교했다. 그 결과, 지그재그 광섬유를 특정 간격으로 배치했을 때 시트의 원래 형상을 가장 가깝게 재현할 수 있다는 사실을 확인했다.

이후 연구진은 같은 지그재그 패턴의 광섬유를 내부에 넣은 형상 감지 시트를 제작했다. 각 광섬유의 한쪽 끝에는 LED를, 반대쪽 끝에는 광센서를 설치하고 외부 회로 기판에 연결해 빛의 측정값을 수집하고 증폭했다. 또 광섬유에서 얻은 측정값을 시트 전체의 3D 형상으로 자동 재구성하는 알고리즘도 개발했다.

실험에서는 연구진이 시트를 여러 형태로 비틀 때 알고리즘이 거의 실시간으로 시트의 가상 형상을 매끄럽게 재구성하는 모습을 보여 줬다. 예를 들어 시트를 대각선으로 접은 뒤 반대 방향으로 다시 접자, 가상 복제본이 변화하는 형상을 거의 실시간으로 따라 했다.

연구진은 시트를 여러 3D 프린팅 몰드 위에 놓기도 했다. 각 몰드 위에 놓인 실제 시트와 디지털로 재구성한 시트 사이의 차이를 정밀하게 측정하기 위해서였다. 이 시험에서 부드러운 감지 시트는 다른 설계보다 정확도가 높은 것으로 나타났다.

“실제 표면과 재구성된 표면 사이의 거리를 나타내는 지표를 사용했는데, 이를 통해 저희의 오차가 0.4센티미터 미만이라는 것을 확인했습니다.” Yu는 말한다. “단단한 센서를 기반으로 하는 기존 설계의 오차는 약 1~2센티미터입니다. 그러니 상당히 괜찮은 수준이며, 적어도 기존 기술에 뒤지지 않습니다.”

연구팀은 우선 시트를 더 얇게 만드는 방식으로 감지 시트를 추가로 최적화할 예정이다. 현재 광섬유의 두께는 1밀리미터다. 다른 제작 공정을 사용하면 수십 마이크로미터까지 줄일 수 있으며, 이는 머리카락 한 올보다 얇을 수 있다. 이후 연구진은 의상 안에 훨씬 더 많은 광섬유를 넣어 형태와 형상의 세밀한 변화를 감지하는 방안을 구상하고 있다. 예를 들어 물리치료 중 환자의 수행 상태를 평가하는 데 활용할 수 있다.

“물리치료사가 할 수 있는 일을 확장하고, 시간에 따른 환자의 진전을 추적하고 정량화하도록 돕는 도구를 만들고 싶습니다.” Becker는 말한다. “이 감지 시트는 물리치료사가 오늘의 평가 결과를 두 달 전, 수백 건의 진료 이전에 진행한 평가 결과와 더 정확하게 떠올리고 비교하는 데 도움이 될 수 있습니다.”

이 연구는 매스웍스로부터 일부 지원을 받았다.

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