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중 연구진, 로봇 위한 전자 청각 시스템 구축

   강민경 기자   2018-09-04 17:47
▲중국 연구진이 로봇이 소리를 들을 수 있도록 전자 청각 시스템을 구축했다(출처=123RF)

로봇 센싱 기술은 로봇 공학의 하위 영역으로, 로봇이 듣고 만지고 보는 등의 기능을 할 수 있도록 만드는 것이다.

로봇에 청각 기능이 있다면 로봇은 사람과 상호 작용할 수 있고 사람이 내는 음성 신호를 들을 수 있다. 로보틱스와 자동화를 위한 IEEE 국제 컨퍼런스(IEEE ICRA)에서 '소형 모바일 로봇용 내장형 청각 시스템' 연구 결과가 발표됐다.

로봇은 어떻게 들을까?

로봇 센서와 귀는 공기중에 떠 다니는 전자기파(EM)를 감지한다. 미국 시카고에 기반을 둔 과학 및 산업 박물관 로봇 레볼루션(Robot Revolution)에 따르면 마이크 등의 로봇 센서를 사용해 로봇이 사람이 듣는 소리를 똑같이 들을 수 있다고 한다. 일부 센서는 초음파처럼 인간의 능력을 초월한 음파를 감지한다.

그 외에 감각 기반 로봇 센서는 온도계, 카메라, 초음파, 화학 검출기(분광계 및 필터 등), 열 화상 카메라, 자이로스코프, 압력 센서, EM파 감지기(라이다, UV, 레이더, IR 센서 등), 가속도계, 마이크 등이 있다.

▲청각 시스템은 로봇과 인간을 연결하는 가장 간단하고 효율적인 전략이다(출처=123RF)

지붕, 피아노, 새, 전화벨, 빗소리 등은 사람에게 각기 다른 의미를 지니는 소리다. 또한 사람은 목소리를 내서 의사 소통을 하고 대화를 나눈다. 사람의 두뇌는 로봇이 할 수 없는 방법으로 주변 환경을 파악한다. 대신 로봇은 음파를 전송하고 주변에 있는 물체에서 반사되는 호출을 듣고 반응할 수 있다.

로봇의 청각 시스템

최근 중국 충칭대학 연구진이 마찰 전기 청각 센서(Triboelectric auditory sensors, TAS)를 개발했다. 이 센서는 자체 전원을 사용하기 때문에 로봇 어플리케이션을 위한 전자 청각 시스템 구축에 사용될 수 있다. 또 마찬가지로 청각 장애인에게 도움이 될 수 있다.

연구진에 따르면 청력 손상이 있는 사람들은 대개 하나 이상의 주파수 영역을 잃은 상태다. 그래서 손상된 음향 영역을 가청 수준으로 증폭시키기 위해 사용하는 것이 보청기다.

충칭대학 응용 물리학과 흥이 궈 연구진과 동료들은 청각 시스템이 로봇과 인간을 연결하는 가장 간단하고 효율적인 전략이라고 설명했다. 그래서 이들은 TAS를 설계했다. 연구진에 따르면 TAS는 테스트 중 초고감도를 나타냈다.

이 센서를 이용하면 차세대 청각 시스템을 만들 수 있다. 그리고 수많은 연구진이 고민하고 있는 사회적인 로봇의 과제를 해결할 수 있다. 이 연구 결과는 사이언스 로보틱스 저널에 게재됐다.

청각 센서 설계

주파수 선택성 및 광대역 주파수 응답을 갖는 청각 센서를 설계하는 데 있어 연구진은 기존의 음향 센서를 사용했다고 전했다. 이 시스템은 정확한 신호 처리 장치를 갖추고 있어 작동 시간을 줄이고 전력 소비를 늘린다.

연구진은 자체 구동식 음향 센서를 만드는 기존 방법이 '사다리꼴 장치 구조' 및 '압전 효과'에 기반한다고 설명했다.

압전 효과, 다른 말로 피에조 일렉트릭(piezoelectric)이란 적용되는 기계적 응력에 대한 응답으로 전하를 생성하는 일부 재료의 능력을 말한다. 압착을 의미하는 그리스어 단어 piezein과 밀어내기를 뜻하는 Piezo에서 파생됐다.

다만 연구진이 해결해야 했던 도전 과제는 압전 센서가 인간의 목소리 주파수 범위에 비해 고주파 응답 영역과 저출력 신호를 갖는다는 것이었다. 그 외에 압전기 재료, 복잡한 제조 공정, 다중 신호 채널을 모두 결합하려면 비용이 많이 든다는 문제도 있었다. 이런 문제를 해결하기 위해 연구진은 단일 채널 순환형 자체 전원 청각 센서를 개발했다. 그리고 그 기반이 된 것이 마찰 전기 나노 발전 기술이었다. 나노 발전기는 열이나 기계 에너지를 전기로 변환한다.

연구진이 마찰 전기 나노 발전기를 선택한 이유

나노 발전기에는 세 가지 유형이 있다. 초전도, 마찰 전기, 압전기다. 마찰 전기 및 압전기는 에너지를 생성하기 위해 기계 에너지를 수집한다. 다만 압전기는 나노 구조화된 압전 재료를 통해 에너지를 얻고, 마찰 전기 나노 발전기는 정전식 마찰 대전 효과를 통해 에너지를 얻는다. 연구진은 마찰 전기 나노 발전기 기술의 잠재력이 상당하다는 점을 강조했다.

연구 논문에 따르면 지능형 로봇 장치에 청각 센서가 통합된다고 생각했을 때, TAS는 지능형 인간-로봇 상호 작용을 실현하는 데 필요한 고품질의 음성 녹음 및 정확한 음성 인식을 가능케 한다.

연구진은 또한 이 센서가 로봇뿐만 아니라 보청기를 사용하는 사람들에게도 에너지 효율적이고 비용 경제적인 시스템을 제공할 수 있다고 믿는다. 마찰 전기 나노 발전기 기술을 사용하는 보청기는 구조가 단순화되고 전력 소비를 줄일 수 있다. 연구진은 이 기술의 산업화를 추진하고 있다.

[researchpaper 리서치페이퍼=강민경 기자]