새로운 촉각 패치, 복잡한 촉감을 피부로 전달

노스웨스턴 대학이 이끄는 엔지니어 팀은 피부를 자극하여 다양하고 복잡한 감각을 전달하는 새로운 유형의 웨어러블 기기를 개발했습니다.

얇고 유연한 이 장치는 피부에 부드럽게 부착되어 더욱 현실적이고 몰입감 있는 감각적 경험을 제공합니다. 이 새로운 장치는 게임과 가상 현실(VR)에 분명히 적합하지만, 연구자들은 의료 분야에서도 응용될 수 있을 것으로 예상합니다. 예를 들어, 이 장치는 시각 장애인이 주변 환경을 "느끼는" 데 도움이 되거나 인공 사지를 가진 사람에게 피드백을 제공할 수 있습니다.

해당 연구는 수요일(11월 6일) 네이처 저널에 게재될 예정입니다.

이 장치는 노스웨스턴 바이오일렉트로닉스 선구자 존 A. 로저스의 웨어러블 기술에서 가장 최신의 발전입니다. 이 새로운 연구는 그의 팀이 피부의 넓은 영역에 걸쳐 소형 진동 액추에이터 배열을 통해 촉각을 전달하는 피부 인터페이스 시스템인 "표피 VR"을 도입한 2019년 Nature 에 발표된 연구를 기반으로 하며, 빠른 무선 제어가 가능합니다.

"우리의 새로운 소형화된 피부용 액추에이터는 우리가 2019년 논문에서 시범 차량으로 사용했던 단순한 '버저'보다 훨씬 더 유능합니다." 로저스가 말했습니다. "특히, 이 작은 장치는 다양한 주파수에 걸쳐 제어된 힘을 전달할 수 있어, 전력을 지속적으로 적용하지 않고도 일정한 힘을 제공합니다. 추가 버전을 사용하면 동일한 액추에이터가 피부 표면에서 부드럽게 비틀어 움직이는 동작을 제공하여 수직력을 전달하는 기능을 보완하고 감각에 사실감을 더할 수 있습니다."

Rogers는 재료 과학 및 공학, 생체공학 및 신경외과 분야의 Louis A. Simpson 및 Kimberly Querrey 교수이며 Northwestern의 McCormick School of Engineering 및 Northwestern University Feinberg School of Medicine에 임명되었습니다. 그는 또한 Querrey Simpson Institute for Bioelectronics를 지휘합니다.

Rogers는 McCormick의 기계 공학 Jan and Marcia Achenbach 교수인 Northwestern의 Yonggang Huang, 중국 Westlake University의 Hanqing Jiang, 중국 Dalian University of Technology의 Zhaoqian Xie와 공동으로 작업을 주도했습니다. Jiang의 팀은 비틀기 동작을 가능하게 하는 데 필요한 작은 수정 구조를 구축했습니다.

피부에 저장된 에너지 활용

새로운 장치는 얇고 유연한 실리콘 메시 소재로 캡슐화된 19개의 작은 자기 액추에이터의 육각형 배열로 구성되어 있습니다. 각 액추에이터는 압력, 진동 및 비틀림을 포함한 다양한 감각을 전달할 수 있습니다. 스마트폰의 블루투스 기술을 사용하여 이 장치는 사람의 주변 환경에 대한 데이터를 수신하여 촉각적 피드백으로 변환합니다. 한 감각(예: 시각)을 다른 감각(촉각)으로 대체합니다.

이 기기는 작은 배터리로 구동되지만, 영리한 "바이스테이블" 설계를 사용하여 에너지를 절약합니다. 즉, 지속적인 에너지 입력이 필요 없이 두 개의 안정적인 위치를 유지할 수 있습니다. 액추에이터가 아래로 누르면 피부와 기기의 내부 구조에 에너지를 저장합니다. 액추에이터가 다시 위로 밀면 기기는 소량의 에너지를 사용하여 저장된 에너지를 방출합니다. 따라서 이 기기는 액추에이터가 위치를 변경할 때만 에너지를 사용합니다. 이 에너지 효율적인 설계를 통해 이 기기는 단일 배터리 충전으로 더 오랜 시간 동안 작동할 수 있습니다.

"피부와 싸우는 대신, 궁극적으로는 피부에 저장된 에너지를 탄성 에너지로 기계적으로 사용하고 장치가 작동하는 동안 회복하는 것이 아이디어였습니다." 논문의 첫 번째 저자인 매튜 플래빈이 말했습니다. "고무줄을 늘리는 것처럼 탄성 피부를 압축하면 에너지가 저장됩니다. 그런 다음 감각 피드백을 제공하는 동안 그 에너지를 다시 적용할 수 있으며, 궁극적으로 이것이 우리가 이 정말 에너지 효율적인 시스템을 만드는 방법의 기초가 되었습니다."

연구 당시, 플라빈은 로저스 연구실의 박사후 연구원이었습니다. 현재 그는 조지아 공과대학에서 전기 및 컴퓨터 공학 조교수로 재직하고 있습니다.

감각 대체

연구원들은 이 장치를 테스트하기 위해 건강한 피험자들의 눈을 가린 채 이동 경로에 있는 물체를 피하는 능력, 부상을 피하기 위해 발의 위치를 ​​바꾸는 능력, 균형을 개선하기 위해 자세를 바꾸는 능력을 테스트했습니다.

한 실험은 피험자가 방해하는 물체를 통과하는 경로를 탐색하는 것을 포함했습니다. 피험자가 물체에 접근하면, 장치는 오른쪽 상단 모서리에 빛의 강도 형태로 피드백을 제공했습니다. 사람이 물체에 더 가까이 다가갈수록 피드백은 더 강해져서 장치의 중앙에 더 가까이 다가갔습니다.

짧은 훈련 기간만으로도 이 장치를 사용하는 피험자들은 실시간으로 행동을 바꿀 수 있었습니다. 시각 정보를 기계적 정보로 대체함으로써 이 장치는 "흰 지팡이와 매우 유사하게 작동하지만, 더 일반적인 보조 기구로 얻을 수 있는 것보다 더 많은 정보를 통합하고 있습니다."라고 플래빈은 말했습니다.

"여러 응용 사례 중 하나로, 이 시스템은 스마트폰에서 사용 가능한 3D 이미징 기능(LiDAR)을 사용하여 수집한 데이터를 기반으로 피부 표면에 전달되는 촉각 패턴의 형태로 '시각'의 기본 버전을 지원할 수 있음을 보여줍니다."라고 로저스는 말했습니다. "이러한 종류의 '감각 대체'는 시력에 의존하지 않고도 주변 환경에 대한 원시적이지만 기능적으로 의미 있는 감각을 제공합니다. 이는 시각 장애가 있는 개인에게 유용한 기능입니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/11/241106132217.htm