[논문]인공촉각과 피부를 위한 탄소나노튜브 기반 생체 모방형 신경 개발

김종민; 김진호; 차주영; 김성용; 강인필

doi:10.5302/j.icros.2012.18.3.188

인공촉각과 피부를 위한 탄소나노튜브 기반 생체 모방형 신경 개발
A Biomimetic Artificial Neuron Matrix System Based on Carbon Nanotubes for Tactile Sensing of e-Skin 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.18 no.3, 2012년, pp.188 - 192

김종민 (부경대학교 메카트로닉스공학과) , 김진호 (한국해양연구원 해양시스템 연구부) , 차주영 (한국기계연구원) , 김성용 (부경대학교 메카트로닉스공학과) , 강인필 (부경대학교 기계자동차공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a carbon nanotube (CNT) flexible strain sensor was fabricated with CNT based epoxy and rubber composites for tactile sensing. The flexible strain sensor can be fabricated as a long fibrous sensor and it also may be able to measure large deformation and contact information on a structure. The long and flexible sensor can be considered to be a continuous sensor like a dendrite of a neuron in the human body and we named the sensor as a biomimetic artificial neuron. For the application of the neuron in biomimetic engineering, an ANMS (Artificial Neuron Matrix System) was developed by means of the array of the neurons with a signal processing system. Moreover, a strain positioning algorithm was also developed to find localized tactile information of the ANMS with Labview for the application of an artificial e-skin.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 MWCNT와 에폭시 또는 EPDM 기반의 전왜성을 지닌 장신의 연속형 센서인 인공신경을 제작하였다. 그리고 이를 인공촉각으로 활용하기 위하여 그 특성에 대하여 연구하였다. MWCNT 기반의 지능형 나노 복합소재를 이용하여 제작된 센서는 변형 또는 힘을 감지할 수 있는 전왜성을 지니고 있을 뿐만 아니라 장신의 파이버(fiber)형태로 유연성을 지닐 수 있으며 감지 특성이 인체의 감각 기관인 신경과 유사한 특성을 지니고 있으므로 인공 신경 이라고 명명하였다.
이러한 장신의 인공신경은 부착 부위에 특정 정보가 발생하였을 시에 그 위치 추정이 불가능하다. 따라서 본 연구에서는 이러한 인공신경 센서의 위치추정 한계를 부분적으로 극복하기 위하여 이들을 격자 형태로 조합시킨 신경 망을 구성하여 이들의 특성과 접촉 정보를 얻어 새로운 촉각 시스템을 개발하기 위한 기초 연구를 수행하였다.
따라서 인공신경을 활용하여 대면적 감시용 시스템이나 또는 e-skin으로 개발하기 위하여 대상 면의 변형량 측정과 그 발생 위치 추정을 위하여 이들 신경을 격자형으로 조합하여 사용하는 ANMS를 개발하였다.
본 논문에서는 MWCNT와 에폭시 또는 EPDM 기반의 전왜성을 지닌 장신의 연속형 센서인 인공신경을 제작하였다. 그리고 이를 인공촉각으로 활용하기 위하여 그 특성에 대하여 연구하였다.
Loh는 탄소나노튜브를 활용하여 시간에 따른 구조물의 변형을 표현하는 피부 센서를 개발하였다[9]. 본 연구팀은 유연성을 가지며 인장 및 압축에 양호한 특성을 보이는 EPDM (Ethylene Propylene Diene M-class)을 이용하여 스트레인 측정이 가능한 지능형 나노 복합소재를 연구하여 신축성을 지니고 있는 촉각센서 개발의 기초 연구를 수행하였다[10,11].

제안 방법

그리고 이들의 신호 처리를 위하여 그림 6에 도시한 바와 같이 휘스톤 브릿지, 증폭기(INA 128) 및 잡음을 제거하기 위한 RC 필터 회로를 제작하여 시스템을 구성하였다. ANMS는 각 인공신경들이 주변에서 감지되는 변형량의 크기 신호를 조합하고 비교하여 상대적으로 큰 신호의 발생 지점을 접촉지점으로 추정하도록 신호처리 알고리듬을 설계하였다. 그림 7은 ANMS 패드 위에 위치하고 있는 인공신경 2번과 인공신경 6번 근처에 압력을 가하였을 시에 응답을 측정한 결과이다.
6)의 격자 형태의 망으로 구성하였다. 그리고 이들의 신호 처리를 위하여 그림 6에 도시한 바와 같이 휘스톤 브릿지, 증폭기(INA 128) 및 잡음을 제거하기 위한 RC 필터 회로를 제작하여 시스템을 구성하였다. ANMS는 각 인공신경들이 주변에서 감지되는 변형량의 크기 신호를 조합하고 비교하여 상대적으로 큰 신호의 발생 지점을 접촉지점으로 추정하도록 신호처리 알고리듬을 설계하였다.
생체모방형 인공신경은 MWCNT를 충진재로 하여 전기전도성과 전왜성을 지니고 있는 나노 복합소재를 이용하여 제작하였다. 나노 복합소재용 기저재료로서는 우수한 기계적인 강도와 제작 공정이 용이한 에폭시(epoxy) 또는 유연성을 가지며 인장 및 압축에 양호한 특성을 보이는 EPDM 등을 이용하였다.
이 미세한 센서의 저항 변화를 기존의 스트레인 게이지를 이용한 변형량 측정 방법과 동일하게 휘스톤 브릿지를 이용하여 변형량을 측정할 수 있다. 본 실험에서는 인공신경의 변형 신호를 검출하기 위한 측정회로를 제작하여 저항변화를 전압 차이로 변화 시킨 후, 이를 20 dB의 이득(gain) 값으로 증폭 시킨 후 저주파 필터(low pass filter)를 이용하여 잡음을 제거 하여 측정하였다.
본 연구에서는 다중벽 탄소 나노 튜브(MWCNT: Multi-Wall Carbon Nanotube)와 고분자 재료를 혼합하여 지능형 나노 복합재료(smart nano composite)를 활용하여 장신의 파이버(fiber) 형태의 연속형 센서(그림 1)로 제작하였다. 유연성을 지니도록 제작된 센서는 부착된 구조물에 기계적 변형이 발생하였을 경우 그의 전기 저항이 변화하는 전왜성(piezoresistivity)을 지니며, 장신의 파이버(fiber) 형태로 유연성을 지닐 수 있으며 감지 특성이 인체의 감각 기관인 신경과 유사한 특성을 지니고 있으므로 인공 신경(artificial neuron)이라고 명명하였다.
제작된 복합소재 샘플을 구조물을 대신하여 외팔보에 부착 시킨 후 보의 변형량에 대한 복합소재의 저항 변화를 측정하였다. 샘플들은 그림 2에 도시한 바와 같이 외팔보의 변형량이 잘 전달 될 수 있도록 에폭시 수지 접착제를 이용하여 외팔보에 단단히 부착시킨 후 보의 인장과 압축 변형량 에 따른 전기저항 변화를 측정하였다. 이때 외팔보의 변위와 저항 변화는 레이저 변위 센서(Keyence LC-2400A)와 멀티미터(YOKOGAWA 732)를 사용하여 각각 측정하였고 그 결과를 그림 3에 도시하였다.
그림 7. 인공 신경의 신호 강도 비교.
인공신경을 3×3 격자 형태의 인공 신경 격자형 조합으로 구성하고 이들의 신호 처리를 위하여 휘스톤 브릿지, 증폭기 및 잡음을 제거하기 위한 RC 필터 회로를 제작하여 넓은 면적을 적은 수의 센서 사용으로 신호처리 비용을 절감 할 수 있도록 하였다.
인공신경을 활용한 인공촉각 시스템을 개발하기 위하여 대상 측정 면의 변형량 측정과 그 발생 위치 추정을 위하여 이들 신경을 조합하여 사용하는 ANMS를 개발하였다. 인공신경을 3×3 격자 형태의 인공 신경 격자형 조합으로 구성하고 이들의 신호 처리를 위하여 휘스톤 브릿지, 증폭기 및 잡음을 제거하기 위한 RC 필터 회로를 제작하여 넓은 면적을 적은 수의 센서 사용으로 신호처리 비용을 절감 할 수 있도록 하였다.
인공신경의 동적 응답특성을 실험하기 위하여 외팔보의 초기 변형에 따른 자유진동 응답을 측정 하였다. 그림 4는 EPDM 기반 센서를 이용한 외발보 동적 응답을 측정한 결과로서, 인공신경은 정적인 변형량뿐만 아니라 동적 변형 역시 측정 가능함을 알 수 있다.
촉각을 지닌 인공신경 개발을 위하여 나노 복합소재의 스트레인 측정 특성을 실험하였다. 제작된 복합소재 샘플을 구조물을 대신하여 외팔보에 부착 시킨 후 보의 변형량에 대한 복합소재의 저항 변화를 측정하였다. 샘플들은 그림 2에 도시한 바와 같이 외팔보의 변형량이 잘 전달 될 수 있도록 에폭시 수지 접착제를 이용하여 외팔보에 단단히 부착시킨 후 보의 인장과 압축 변형량 에 따른 전기저항 변화를 측정하였다.
촉각을 지닌 인공신경 개발을 위하여 나노 복합소재의 스트레인 측정 특성을 실험하였다. 제작된 복합소재 샘플을 구조물을 대신하여 외팔보에 부착 시킨 후 보의 변형량에 대한 복합소재의 저항 변화를 측정하였다.

대상 데이터

생체모방형 인공신경은 MWCNT를 충진재로 하여 전기전도성과 전왜성을 지니고 있는 나노 복합소재를 이용하여 제작하였다. 나노 복합소재용 기저재료로서는 우수한 기계적인 강도와 제작 공정이 용이한 에폭시(epoxy) 또는 유연성을 가지며 인장 및 압축에 양호한 특성을 보이는 EPDM 등을 이용하였다.

성능/효과

인공신경은 접촉 하중의 크기는 정확하게 계측되는 반면 그 발생 위치는 추정하지 못하는 한계적 특성이 있다. 따라서 인공신경들을 격자형 조합으로 배치하고 이들이 측정한 접촉력의 크기 값을 통한 출력 신호의 강도 비교를 통하여 접촉 위치를 추정하는 알고리듬을 Labview 시스템을 사용하여 제작하여 스트레인/접촉의 발생 위치와 그 크기를 성공적으로 추정 할 수 있었다.
따라서 에폭시를 이용한 복합소재는 저항 변화 측정을 통하여 인장과 압축을 계측할 수 있다. 반면에 EPDM을 이용한 복합소재는 인장과 압축에 대해서 모두 저항이 증가 하는 특성을 보이고 있어 한 방향으로 작용하는 하중 또는 변형 조건에만 이용될 수 있는 특성을 보였다. 이러한 특징은 촉각은 주로 한 방향으로만 작용하는 하중과 같으므로 EPDM 기반의 인공신경은 유연한 탄성을 지니며 비교적 선형적 응답특성을 지닌 촉각센서로 활용 될 수 있다.
인공신경제작에 이용된 에폭시를 기저재료로 하는 복합소재는 인장과 압축에서 선형적인 저항의 변화를 보이고 있다. 반면에 EPDM을 이용한 복합소재는 인장과 압축에 대해서 모두 저항이 증가 하는 특성을 보이고 있어 한 방향을 작용하는 하중 또는 변형 조건에만 이용될 수 있는 특성을 보였다. 이들 나노 복합소재들의 스트레인에 의한 저기 저항 변화 특성은 부착된 구조물에 접촉이 발생할 경우 이로 인하여 스트레인이 발생되므로 접촉 정보 스트레인으로 변형되어 그 크기까지 정밀하게 측정이 가능하다.
본 논문에서 연구된 생체모방 인공신경은 복합소재를 기반으로 하므로 다양한 형상으로 제작이 가능하다. 또한 유연성을 지니고 있어 복잡한 형상변화 또는 대변형이 발생하는 부분의 계측뿐만 아니라 새로운 접촉 센서로도 활용될 수 있다.

후속연구

또한 유연성을 지니고 있어 복잡한 형상변화 또는 대변형이 발생하는 부분의 계측뿐만 아니라 새로운 접촉 센서로도 활용될 수 있다. 이과 같은 특성은 여러 공학적 응용분야가 예상이 되나, 특히 생체모방기술을 적용한 소형 로봇 및 지능형 시스템의 센서로서 활용 될 수 있어 그림 9와 같이 착용가능(wearable) 센서, 생체모방 로봇, 구조물의 건전성 감시, 스마트 텍스타일(textile), 지능형 시스템 및 첨단 의료장비 등과 같은 다방면에 적용 가능할 것으로 기대된다.
현재의 알고리듬은 단일 접촉 정보의 추출만이 가능하나, 향후에는 다중 접촉 정보의 추출 연구와 더불어 보다 정교한 접촉 형상의 추출을 위한 알고리듬 개발 등이 수행될 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	촉각센서에 요구되어지는 성질은?	촉각센서는 압력, 온도 등의 물리량을 측정할 수 있는 고성능의 센서가 넓은 면적에 분포 되어 있어야 하며 동시에 유연함과 신축성이 요구된다. 나노 복합재료는 나노 충진재(filler)와 기저재료(matrix)를 혼합하여 제작을 할 수 있으므로 촉각센서가 요구되는 신축성 또는 유연성을 지니고 있는 기저재료를 활용할 수 있으며, 물리량을 측정할 수 있는 계측 특성은 나노 충진재를 활용하여 구현 할 수가 있다.
	기계시스템이 지능을 갖추기 위해서 수행해햐할 임무는?	인간은 오감인 시각, 청각, 후각, 미각, 촉각 통하여 정보를 얻고 주변 환경과 상호 작용한다. 기계시스템 역시 지능을 갖추기 위해서는 주변 환경을 인식하여야 하며, 이러한 기능은 인간의 감각기관에 해당하는 센서를 통하여 구현되고 있다. 최근에 활발히 연구되고 있는 지능형 기술이나 생체 모방 공학에는 인간의 감각기관을 모방한 기술들이 활발히 개발되고 있다[1-3].
	정밀하고 경제적인 센서에 대한 수요를 만족할만한 기술은?	센서 기술은 그 동안 많은 공학 분야에서 상당한 관심과 발전을 이끌어 왔으며, 더불어 그 기술의 응용분야와 관련하여 정밀하고 경제적인 센서에 대한 수요가 증가 되어왔다. MEMS 기반의 센서기술은 이러한 요구를 만족시키며 발전되어 왔다. 그러나 MEMS 기반의 실리콘 공정은 필연적으로 고온의 제조 조건을 필요로 하기 때문에 값싼 유연성 재질을 활용 수 없으므로 가볍고 유연성이 있거나 경우에 따라서는 일회용 일 수 있는 저비용의 대면적 센서의 제작에는 다소 제한적이다.

참고문헌 (13)

J. W. Morley, A. W. Goodwin, and I. Darian-Smith, "Tactile discrimination of gratings," Exp Brain Res, vol. 49, no. 2, pp. 291-299, 1983.

상세보기
M. S. Kim, J. H. Kim, H. W. Song, and Y. K. Park, "Bio-mimic electronic artificial skin based on flexible electronics," Journal of the Korean Society of Precision Engineering, vol. 26, no. 11, pp. 29-34, 2009.
T. Papakostas, V. J. Lima, and M. Lowe, "A large area force sensor for smart skin applications," Proc. IEEE Sensors, vol. 2, pp. 1620-1624, 2002.
R. Shinar and J. Shinar, "Organic electronics in sensors and biotechnology," Mcgraw Hill, 2009.
I. Kang, Y. Y. Heung, J. H. Kim, J. W. Lee, R. Gollapudi, S. Subramaniam, S. Narsimhadevara, D. Hurd, G. R. Kirikera, V. Shanov, M. J. Schulz, D. Shi, J. Boerio, S. Mall, and M. R. Wren, "Introduction to carbon nanotube and nanofiber smart materials," Composite Part B: Engineering, vol. 37, pp. 382-394, 2006.

상세보기
S. Iijima, "Helical microtubules of graphitic carbon," Nature, 354, pp. 56-58, 1991.

상세보기
Y. H. Lee, "The physical property and application of carbon nanotube," Korean Physical Society (in Korean), New Physics, vol. 51, pp. 84-144, 2005.
T. Sekitani, Y. Noguchi, K. Hata, T. Fukushima, T. Aida, and T. Someya, "A rubberlike stretchable active matrix using elastic conductors," Science. vol. 321. no. 5895, pp. 1468-1472, 2008.

상세보기
K. J. Loh, T.-C. Hou, J. P. Lynch, and N. A. Kotov, "Carbon nanotube sensing skins for spatial strain and impact damage identification," Journal of Nondestructive Evaluation, vol. 28, pp. 9-25, 2009.

상세보기
I. Kang, Md. Abdul Khaleque, Y. Yoo, P. J. Yoon, S. Y. Kim, and K. T. Lim, "Preparation and properties of ethylene propylene diene rubber/multi walled carbon nanotube composites for strain sensitive materials," Composites: Part A : Applied Science and Manufacturing, vol. 42, pp. 623-630, 2011.

상세보기
H. Kim, Y. J. Kim, W. K. Baek, K. T. Lim, and I. Kang, "Flexible strain sensor based on carbon nanotube rubber composites" SPIE Nanosensors, Biosensors, and Info-Tech Sensors and Systems, vol. 7646, pp. 416, 2010.
I. Kang, M. J. Schulz, J. H. Kim, V. Shanov, and D. Shi, "A carbon nanotube strain sensor for structural health monitoring," Smart Materials and Structures, vol. 15, pp. 737-748, 2006.

상세보기
Y. J. Kim, J. Y. Cha, H. Ham, H. Huh, D. S. So, and I. Kang, "Preparation of piezoresistive nano smart hybrid material based on grapheme," Current Applied Physics, vol. 11, pp. s350-s352, 2011.

상세보기

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증