초박형·연성 광학 촉각 센서: 스펙클 기반 고감도 물체 인식

초록

본 논문은 얇고 부드러운 실리콘 엘라스토머 내부에서 발생하는 스펙클 패턴 변화를 이용해 힘을 정밀하게 측정하고, 텍스처를 분류하는 광학 촉각 센서를 제안한다. 정렬이 필요 없는 구조와 저렴한 제작 공정으로 RMS 오차 40 mN, 9종 텍스처 분류 정확도 93.33 %를 달성하였다.

상세 분석

이 연구는 기존 비전 기반 촉각 센서(VBTS)가 요구하는 복잡한 렌즈·카메라 어셈블리와 정밀 정렬 문제를 근본적으로 해결하고자 한다. 저자들은 투명 실리콘 엘라스토머에 미세 유리 구슬(산란체)을 혼합하고, 측면에 편광 유지 섬유(PM‑fiber)를 통해 635 nm 레이저를 주입한다. 내부에서 전반사와 다중 경로 전파가 일어나면서 스펙클 패턴이 형성되고, 외부 압력에 의해 변형된 산란체 위치가 스펙클의 위상·진폭을 미세하게 변조한다. 이 변조는 고해상도 이미지 센서가 필요 없이 저해상도 CMOS 카메라로도 충분히 포착 가능하다. 핵심은 ‘광학 간섭 기반 변형 인코딩’으로, 이는 기존의 표면 마커·구조광 방식과 달리 내부 볼륨 전체를 활용한다는 점에서 감도와 공간 해상도가 크게 향상된다.

센서 설계는 3 mm 두께, 55 × 61 mm² 면적의 얇은 패드와 레이저·카메라 모듈을 일체화한 형태이며, 전체 구조가 유연해 손가락이나 곡면에 쉽게 부착될 수 있다. 데이터 처리에는 128 × 128 픽셀 ROI를 추출한 뒤, 3‑계층 CNN(3×3 Conv → BN → ReLU → 2×2 MaxPool)과 256‑노드 전결합층을 거쳐 최종 클래스를 출력한다. 라즈베리 파이 5에서 20.4 ms의 추론 시간을 보이며, 실시간 응용이 가능함을 증명한다.

실험에서는 (1) 위치 인식: 평면 및 반경 35 mm 곡면에서 4개의 접촉 지점을 정확히 구분, 혼동 행렬이 거의 대각선 형태를 보임; (2) 힘 측정: 3개의 서로 다른 접촉 지점에서 0–0.4 N 범위의 힘을 적용, RMSE가 0.039–0.040 N 수준으로 일관된 정확도 확보; (3) 텍스처 인식: 마작 타일 9종(8개 텍스처 + 무접촉)으로 93.33 % 정확도 달성, ROI 위치에 따라 정확도가 86–92 % 사이로 변동하지만 전체적으로 높은 구분 능력을 유지한다. 또한 학습 데이터 수를 200→50개로 감소시켜도 90.56 %의 정확도를 유지, 데이터 효율성이 뛰어나다는 점을 보여준다.

이러한 결과는 스펙클 기반 촉각 센서가 고감도·고정밀 힘 측정과 미세 텍스처 구분을 동시에 수행할 수 있음을 입증한다. 그러나 현재는 레이저 광원과 카메라가 외부에 위치해 전원·배선 요구가 존재하고, 온도·습도 변화에 따른 실리콘 광학 특성 변동이 아직 충분히 평가되지 않았다. 향후 광원·검출기를 센서 내부에 통합하거나, 온도 보상 알고리즘을 도입하면 실용화 가능성이 더욱 확대될 것으로 기대된다.