▲ 햅틱 오리링(OriRing)의 양방향 피드백 및 오리링(OriRing)과 3축 힘 센서(Three-axis force-sensing skin)의 구조도 / 햅틱 피드백 오리링(OriRing)은 가상 물체의 크기 및 강성을 구현하는 양방향 햅틱 피드백 디바이스이다. 오리링은 3축 힘 센서(Three-axis force-sensing skin)를 포함하는 접힐 수 있는 오리가미 구조로 디자인되어 있으며, 3축 힘 센서는 레이저 공정을 통해 다중높이(multi-height)의 3D 마이크로 구조와 전극 패턴을 형성하여 높은 선형감도를 구현하였다.(그림 및 설명=성균관대학교 김선국 교수)  © 특허뉴스

가상현실(VR) 속 물체를 만졌을 때 단단함과 크기, 저항감까지 실제처럼 느낄 수 있다면 어떨까. 국내 연구진이 반지처럼 착용하는 초경량 촉각 장치를 개발해, 손끝에서 가상 물체의 힘을 정밀하게 전달하는 기술을 구현했다.

한국연구재단은 성균관대학교 김선국 교수 연구팀이 스위스 로잔공대(EPFL)와 공동으로 레이저 가공 기반 3축 힘 센서를 개발하고, 이를 반지 형태의 초경량 웨어러블 햅틱 장치 ‘오리링(OriRing)’에 적용해 손가락 단위의 정밀 촉각 피드백 구현에 성공했다고 밝혔다.

진동을 넘어 ‘힘’을 전달... 햅틱 기술의 한계 넘는다

웨어러블 햅틱 장치는 최근 ‘피지컬AI’와 결합하며 가상 세계의 감각을 현실로 전달하거나, 재활·보조 기술로 활용 범위를 넓히고 있다. 하지만 기존 햅틱 장치는 주로 진동이나 열 등 피부 자극 방식에 의존해 실제 물체의 힘과 질감을 사실적으로 구현하는 데 한계가 있었다.

반대로 관절 수준에서 힘을 직접 전달하는 장치는 보다 현실적인 피드백이 가능하지만, 구조적으로 무겁고 부피가 커 착용성이 떨어진다는 문제가 있었다. 결국 “가볍게 착용하면서도 실제처럼 느끼게 하는 햅틱”이 차세대 기술의 핵심 과제로 떠올랐다.

레이저 가공으로 만든 3축 힘 센서... ‘손동작의 힘’을 읽는다

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 사용자의 손동작으로 발생하는 다축 힘을 정밀하게 감지할 수 있는 3축 힘 센서를 개발했다. 핵심은 레이저 가공 기술을 활용해 폴리머(고분자) 표면에 서로 다른 높이의 미세 피라미드 구조를 형성한 것이다. 힘의 방향과 크기에 따라 전기 신호가 명확히 구분되도록 설계해, 손가락 움직임의 ‘힘 정보’를 세밀하게 읽어낼 수 있도록 했다.

특히 센서는 2×2 픽셀 구조로 설계돼, 하나의 유닛만으로도 수직 방향 힘과 수평 방향 힘을 동시에 측정할 수 있다. 얇고 유연한 센서임에도 3축 힘 감지가 가능하다는 점이 이번 기술의 차별화된 성과로 평가된다.

18g 반지에서 최대 6.5N... “작지만 강한” 촉각 피드백

이 센서를 적용한 오리링은 구동부를 제외한 무게가 약 18g에 불과하지만, 손가락에 최대 6.5N의 힘 피드백을 전달할 수 있다. 이는 약 663g 물체를 들어 올리는 수준의 힘에 해당하며, 소형 웨어러블 장치로서는 매우 높은 힘 대비 무게 성능을 구현한 결과다.

연구팀은 오리링을 착용한 사용자의 손가락 움직임에 따라 가상 물체의 크기와 강성이 촉각 피드백으로 즉각 전달되는 것을 확인했다. 나아가 손가락 동작만으로 가상 물체의 물리적 특성을 실시간으로 변화시키는 새로운 상호작용 방식도 제시했다. 단순히 ‘느끼는 장치’를 넘어, 손끝의 감각을 기반으로 가상 환경을 능동적으로 조작하는 인터페이스로 발전할 가능성을 보여준 것이다.

VR·게임 넘어 재활·의료·원격로봇까지... 촉각 인터페이스의 확장

김선국 교수는 “오리링은 액세서리 수준의 착용성을 유지하면서도 기존 장갑형 햅틱 기기보다 뛰어난 힘 대비 무게 성능을 달성했다”며 “가상현실과 게임은 물론 재활·의료, 원격 로봇 조작 등 다양한 분야로 확장이 기대된다”고 밝혔다.

이번 연구 성과는 국제학술지 네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)에 지난해 12월 18일 온라인 게재됐다.

논문명은 An 18 g Haptic Feedback Ring with a Three-Axis Force-Sensing Skin이다.