Hot Agenda - 가상의 현실을 더욱 실감나게! 햅틱 기술의 진화
인간의 오감 가운데 촉감을 디지털로 구현하는 햅틱 기술은 사용자가 가상 환경을 실제와 같이 만져 느낄 수 있게 해주는 새로운 형태의 인간 - 컴퓨터 인터페이스이다.
햅틱 기술은 눈과 귀를 자극하는 비디오와 오디오 기술의 발전에 비교하면 아직미미한 수준이지만 최근 센서와 액추에이터 기술의 발전으로 급속히 성장하고 있고 터치스크린, 의료, 게임, 자동차 등 여러분야에 적용되면서 미래형 사용자 인터페이스로서 많은 기대를 받고 있다.
햅틱 기술의 잠재성은 어디까지일까?
글 박 준 석
한국전자통신연구원 책임연구원
parkjs@etri.re.kr
햅틱 기술이란 무엇인가
1950년대 로봇의 원격조작기술(Teleoperation)을 시작으로 1990년대의 가상현실 기술의 출현과 함께 지속적으로 발전해온햅틱 기술은 최근에 스마트폰 중심의 터치스크린 단말의 등장으로 더욱 더 주목받고 있는 기술이다.
로보틱스로부터 발전한햅틱 기술 연구는 기본적으로 근육과 힘줄의 근감각을 통해 느끼는 역감과 피부감각 두 가지 감각에질감이라는 느낌을 사용자가 전달받을 수 있도록 하는 햅틱 장치 개발을 위해 진행되었다.
햅틱 장치를 이용한 시뮬레이션은 가상현실 속에 존재하는 물체와 상호작용을 할 때 물리적인 촉각적 느낌을 사용자에게 전달하여 마치 실제 환경과 상호작용하는 것처럼 사실적 느낌을 전달하는 것을 목적으로 한다.
햅틱 장치는 전달하는 촉각 정보에 따라 두 가지로 구분되는데, 물체와의 작용/반작용에 의해 생성되는 힘을 전달하는 ‘힘 피드백 장치’와 피부 표면에 접촉하여 물체의 형태, 재질감, 온감을 전달하는 ‘질감 피드백 장치’로 구분된다.
초창기 연구는 힘 피드백 장치에 집중되었으며, 센서블사에서 햅틱 기술 연구와 응용 개발에 가장 대표적인 햅틱 장치인 Phantom 햅틱 장치를 상용화하였다.
최근 들어서 공기, 진동, 압전, 정전기, 전기활성폴리머의 액츄에이터 기술의 발전으로 질감 피드백 장치에 대한 연구가 활성화되고 있으며, 질감 피드백 장치의 크기가 힘 피드백 장치에 부착될 수 있을 만큼 작게 개발되기 시작하면서 힘과 질감을 동시에 느낄 수 있는 방법들이 연구되고 있다.
햅틱의 핵심 기술은 햅틱 장치와 햅틱 렌더링 기술로 구성되는데 햅틱 렌더링 기술은 컴퓨터 그래픽, 물리학, 재료역학, 동역학, 모델링 알고리즘 등을 망라하여 컴퓨터 그래픽으로 렌더링을 하듯 촉감 정보가 표현될 수 있도록 가상의 환경을 모델링하는 프로그래밍 과정 전반을 가리킨다.
햅틱 렌더링은 새로운 햅틱 인터페이스 시스템을 개발할 때마다 알맞은 방법으로 적용되어야 하는 필수적인 작업 과정이라고 할 수 있다.
의생명 분야에서의 햅틱 응용
의생명 분야에서의 햅틱 기술은 의료용 훈련 시뮬레이터, 세포 조작기, 재활 장비 등에서 활발하게 적용되고 있다.
의료 훈련 시뮬레이션은 컴퓨터 모니터와 햅틱 장비를 이용하여 가상환경에서 훈련자가 수술 훈련을 체험할 수 있다. 때문에 의료 시술에서 일어나는 시각과 촉각적 감각을 습득할 수 있다.
마취나 시침 등의 바늘을 이용한 의료 시뮬레이터가 개발되어 경막외 마취법, 척추 생검법 등의 주사 시술 훈련에 활용 가능하다.
미국 MIT Touch Lab에서 개발한 경막외 마취법 훈련 시뮬레이터는 주사바늘을 척수부의 근육막 5개를 통과시켜 각 근육막을 통과할 때마다 각기 다른 미세한 촉감을 느끼게하고, 2mm의 경막 외강 위치에 마취제를 정확하게 투입할 수 있게 한다.
복강경 수술을 위한 의료 훈련 시뮬레이터는 바늘기반의 의료 시뮬레이터와는 달리 도구와 생체 간의 상호작용에 의한 생체의 변형이 크다는 점에서 사뮬레이션의 복잡도가 높으며 절개, 봉합 등 다양한 시술법을 시뮬레이션 하는 작업이 필수적이다.
Immersion사의 Laparoscopic Surgical 워크스테이션, Simbionix사의 LAP MENTOR, Haptica사의 ProMIS 등이 대표적인 복장경 수술 훈련용 시뮬레이터이며, 아직은 햅틱 장치의 기술력 부족으로 인해 실제 생체의 물리적 특성을 반영하지 못하고 단순한 형태의 촉감을 제공하는 상태이다.
세포 조작기는 줄기세포나 정자주입술 같이 조작자의 높은 숙련도를 필요로 하는 세포 조작을 피펫과 원자현미경의 시각적정보만을 이용하던 방식에 햅틱 피드백을 추가하여 숙련 과정을 단축시키는데 활용하고 있다.
실사 영상으로부터 영상처리를 통해 구현된 세포 모델에서 조작기에 의해 가해진 힘에 의해 세포가 변형된 정도에 따라 힘을 계산하여 사용자에게 가상의 촉감을 전달하고 사용자는 촉감을 통해 세포에 가하는 힘을 적절하게 제어하고 정밀한 조작을 할 수 있다.
재활 시뮬레이션은 햅틱 기술을 재활시스템에 적용한 것이다.
이를 통해 현실적으로 불가능하거나 시간, 경비 문제로 구현하기 어려운 환경을 다양한 가상 환경으로 구현하여 환자의 상태에 맞게 재활치료에 활용할 수 있다.
뉴저지공과대학의 연구팀은 뇌졸중으로 마비된 환자의 손 기능 회복을 위해 햅틱을 사용한 가상환경 재활 시스템을 연구하여 환자의 운동감각 향상을 위한 훈련에 활용하고 있다.
자동차에서의 햅틱 기술
햅틱은 시각, 청각에 비하여 반응이 빠르면서도 높은 집중력을 요구하지 않으므로 사용자의 높은 직관력을 활용하는데도 적용될 수 있다.
가장 대표적인 것이 BMW사의 iDrive일 것이다. BMW사는 5series 이상의 모델부터 iDrive라는 햅틱 회전조절기(Haptic Knob)를 설치하였다.
이 장치는 운전석 바로 옆에 설치되어 사용자가 에어컨, 오디오, 창문 등 자동차 내에 조절을 필요로 하는 대부분의 조작장치를 조그만 다이얼 하나만으로 조작함으로써 모두 해결할 수 있게 하는 장치다.
이 장치는 조작 대상이 바뀔 때나 동작 레벨이 바뀔 때 촉각적인 피드백을 통하여 어느 단계에 있는지를 직관적으로 알 수 있게 해준다.
IT 분야의 햅틱 기술
Apple의 IPod Touch가 등장한 이래로, 터치스크린이 스마트폰을 포함한 모바일 디바이스에서 대표적 사용자 입력장치로 사용되고 있다.
터치스크린에서 촉각 피드백은 터치 입력에 대한 즉각적인 피드백과 오디오나 그래픽과 융합한 사실적이고 직관적인 피드백으로 새로운 사용자 경험을 제공한다.
사용자가 터치 패널을 터치할 때 짧은 진동으로 클릭감을 제공하고, 가상 키보드에서의 키 클릭, 리스트에서의 스크롤링 등 GUI 조작 시 촉각 기술을 사용하여 사실적인 느낌을 전달해 준다.
또한 멀티미디어나 비디오 게임을 즐길 때 충돌 또는 폭발이나, 음악에서의 베이스 리듬 등을 진동으로 표현하여 사용자에게 보다사실적인 느낌을 제공한다.
이 외에도 물체 표면의 거칠기, 미세한 무늬, 온감, 마찰력 등 표면의 재질감을 표현하는 연구들이 진행 중이다.
군사 응용의 햅틱 기술
미국 육군연구소의 지원을 받아 MIT 공대는 촉각 신호를 전달하기 위해 신체에 착용할 수 있는 무선 촉각 제어장치(WTCU : Wireless Tactile Control Unit)를 개발하였다.
허리에 벨트처럼 착용이 가능한 신축성 직물에 배열 형태로 구성된 촉각 자극핀인 접촉자(Tactor)를 부착시킨 것인데, 이는진동을 발생시킨다.
또한 배열로 구성된 촉각 디스플레이는 다양한 촉각 패턴을생성하여 방향 정보와 이동 정보(오른쪽 회전, 왼쪽 회전, 앞으로이동, 다음 장애물에서 멈춤, 장소에 대기)를 촉각으로 알린다.
이러한 장치를 활용하여 병사들이 이동 상황에서 손과 팔 신호를 대체할 감각을 생성하기 위해 촉각 명령 신호를 해석하고 반응하는 기초 연구를 수행하였다.
햅틱 기술의 미래
햅틱 기술이 성숙하게 되면 시각과 청각만을 느끼던 전달 정보의 개념이 크게 변화될 것이다.
특히 촉감의 전달은 원거리 환경 혹은 가상 환경의 사실성을 크게 증대시킬 수 있으므로 네트워크 기반의 환경에서 영향력을 발휘하게 될 것이다.
예를 들어 눈으로만 보던 온라인 쇼핑몰은 온라인 상에서도 물건을 만져보고 살 수 있게끔 발전할 것이다. 또한 실제 유물을 만져볼수 있는 온라인 박물관도 체험할 수 있을 것이다.
아울러 문자를 기반으로 하는 메신저 환경은 서로 악수를 하고 어깨를 두드리는 등 촉감을 통한 감정의 전달까지 가능한 상호작용형 메신저를 제공하게 될 것이다.
현재 햅틱 기술은 기술적인 발전에도 불구하고 햅틱 하드웨어 장치의 한계, 고 비용, 실제감의 부족으로 가상 환경과의 통합과 관련, 그 수준이 미미한 상태이다.
하지만 향후 컴퓨터와 가상 환경과의 상호작용방법에 있어서 획기적인 혁신 기술이 개발될 것이다.
현재의 멀티미디어는 시각과 청각 정보를 기본으로 하고 있지만 미래에는 멀티미디어 햅틱으로 가상 현실을 실감나게 만들고 정보를 전달하는 미디어로 이용될 것이다.