느낌이 믿음입니다. 바이오닉 핸드는 만지는 것을 '알고' 사람처럼 움켜잡는다

존스홉킨스 대학의 엔지니어들이 인간처럼 봉제인형, 물병, 기타 일상 물건을 잡을 수 있는 선구적인 보철 손을 개발했으며, 잡는 물건이 손상되거나 잘못 다루어지는 일이 없도록 조심스럽게 형태를 잡고 조정했습니다.

이 시스템의 하이브리드 디자인은 다양한 질감과 소재의 물체를 다룰 때 일반적으로 너무 딱딱하거나 너무 부드러워서 인간의 촉감을 재현할 수 없었던 로봇 손의 첫 번째 시도입니다. 이 혁신은 손을 잃은 사람들에게 유망한 솔루션을 제공하며 로봇 팔이 주변 환경과 상호 작용하는 방식을 개선할 수 있습니다.

해당 장치에 대한 자세한 내용은 오늘 Science Advances 에 게재되었습니다.

"처음부터 목표는 인간의 손의 물리적 및 감지 능력을 기반으로 모델링한 보철 손을 만드는 것이었습니다. 즉, 잃어버린 팔다리처럼 기능하고 느껴지는 보다 자연스러운 보철물입니다." 이 작업을 이끈 존스홉킨스 생물의학 엔지니어 스리라마나 상카르가 말했습니다. "우리는 상지를 잃은 사람들이 주변 환경과 안전하고 자유롭게 상호 작용하고, 사랑하는 사람을 다치게 할까봐 걱정하지 않고 느끼고 껴안을 수 있는 능력을 제공하고 싶습니다."

2018년에 인간과 같은 통증 감각을 가진 세계 최초의 전자 "피부"를 만든 신경공학 및 생물의학 계측 연구실에서 개발한 이 장치는 고무와 같은 폴리머와 단단한 3D 인쇄 내부 골격을 갖춘 다중 손가락 시스템을 특징으로 합니다. 인간 피부 층에서 영감을 받은 3개의 촉각 센서 층은 단순히 촉각을 감지하는 것이 아니라 다양한 모양과 표면 질감의 물체를 잡고 구별할 수 있게 해줍니다. 부드러운 공기로 채워진 각 손가락 관절은 팔뚝의 근육으로 제어할 수 있으며, 머신 러닝 알고리즘은 인공 촉각 수용체의 신호를 집중시켜 현실적인 촉각을 만들어냅니다. "손가락의 감각 정보는 신경 언어로 번역되어 전기 신경 자극을 통해 자연스러운 감각 피드백을 제공합니다."

실험실에서 이 손은 섬세한 봉제 장난감, 설거지 스펀지, 골판지 상자, 파인애플, 금속 물병, 기타 더 튼튼한 품목을 포함한 15개의 일상 물건을 식별하고 조작했습니다. 실험에서 이 장치는 대안과 비교하여 가장 좋은 성능을 달성하여 99.69%의 정확도로 물건을 성공적으로 다루고 필요에 따라 그립을 조정하여 사고를 방지했습니다. 가장 좋은 예는 물이 담긴 얇고 깨지기 쉬운 플라스틱 컵을 세 손가락만으로 움푹 들어가지 않고 민첩하게 집어올린 것입니다.

"우리는 딱딱한 로봇과 부드러운 로봇의 장점을 결합하여 인간의 손을 모방하고 있습니다." Sankar가 말했습니다. "인간의 손은 완전히 딱딱하거나 순전히 부드러운 것이 아니라 뼈, 부드러운 관절, 조직이 함께 작동하는 하이브리드 시스템입니다. 그것이 우리가 의수 손에서 이루고자 하는 것입니다. 이것은 이전에 이 하이브리드 기술을 완전히 받아들이지 않았던 로봇과 의수에 새로운 영역입니다. 그것은 딱딱한 악수를 하거나 부드러운 물체를 으깨는 것을 두려워하지 않고 집을 수 있는 것입니다."

절단 환자가 물건을 움켜쥐는 동안 감각을 되찾을 수 있도록 돕기 위해 의수에는 세 가지 핵심 구성 요소가 필요할 것입니다. 즉, 주변 환경을 감지하는 센서, 그 데이터를 신경과 같은 신호로 변환하는 시스템, 그리고 그 사람이 감각을 느낄 수 있도록 신경을 자극하는 방법이 필요합니다. 이 연구를 지휘한 존스홉킨스대 생명공학 교수인 니티시 타코르의 말입니다.

생체에서 영감을 받은 기술은 대부분의 인공 손처럼 팔뚝의 근육 신호를 사용하여 손이 이런 방식으로 기능할 수 있게 합니다. 이러한 신호는 뇌와 신경을 연결하여 손이 촉각에 따라 구부리거나, 놓거나, 반응할 수 있게 합니다. 그 결과, 신경계와 마찬가지로 무엇을 만지고 있는지 직관적으로 "알고" 있는 로봇 손이 탄생했다고 Thakor는 말했습니다.

"커피 한 잔을 들고 있다면, 그것을 떨어뜨릴지 어떻게 알 수 있나요? 손바닥과 손가락 끝은 컵이 미끄러진다는 신호를 뇌로 보냅니다."라고 타코르는 말했습니다. "저희 시스템은 신경에서 영감을 받았습니다. 손의 촉각 수용체를 모델링하여 신경과 같은 메시지를 생성하여 보철물의 '뇌' 또는 컴퓨터가 무언가가 뜨겁거나 차갑거나, 부드럽거나 딱딱하거나, 그립에서 미끄러지는지 이해하도록 합니다."

이 연구는 보철과 로봇을 모두 혁신할 수 있는 하이브리드 로봇 기술의 초기 혁신이지만, 시스템을 개선하기 위해서는 더 많은 작업이 필요하다고 Thakor는 말했습니다. 향후 개선 사항에는 더 강력한 그립력, 추가 센서, 산업용 소재가 포함될 수 있습니다.

"이 하이브리드 손재주는 차세대 보철물에만 필수적인 것이 아닙니다." 타코르가 말했다. "미래의 로봇 손에 필요한 것은 크고 무거운 물체를 다루는 데 그치지 않기 때문입니다. 유리, 직물 또는 부드러운 장난감과 같은 섬세한 소재로 작업해야 합니다. 인간의 손처럼 설계된 하이브리드 로봇이 매우 귀중한 이유입니다. 우리의 피부, 조직 및 뼈와 마찬가지로 부드럽고 단단한 구조를 결합합니다."

다른 저자로는 플로리다 애틀랜틱 대학의 Wen-Yu Cheng, 존스 홉킨스의 Jinghua Zhang, Ariel Slepyan, Mark M. Iskarous, Rebecca J. Greene, Rene DeBrabander, Junjun Chen, 일리노이 시카고 대학의 Arnav Gupta가 있습니다.

이 연구는 국방부의 보조장치 및 보철물 결과 연구 프로그램(W81XWH2010842)과 국가 과학 재단의 지원금 "신경형 피드백: 보철물의 구체화와 성능 향상을 위한 전략"에 의해 자금이 지원되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/03/250305164326.htm