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피부에서 전달된 촉각 정보를 뇌에서 처리하는 방식부터
촉각을 구현하는 햅틱 디스플레이와 로봇 손까지
한 권으로 보는 언택트 시대의 최첨단 기술혁신, 햅틱스!

촉각의 메커니즘과 이 정교한 감각을 재현하는 기술에 관한 쉽고 간결한 개요

중요한 첨단 과학 주제에 대한 기본적이면서도 깊은 핵심 지식을 전하는 김영사 DEEP & BASIC 시리즈 네 번째 책. 햅틱스 분야에서 가장 권위 있는 국제 학술지 〈IEEE 트랜잭션스 온 햅틱스IEEE Transactions on Haptics〉의 편집장을 지낸 저자와 부편집장인 역자가 참여한 책으로, 촉각의 메커니즘부터 뇌에서 촉각 정보를 처리하는 과정, 촉각 일루전, 의수와 로봇 손의 개발, 다른 감각의 소실을 보완하는 감각 치환 시스템까지 햅틱스를 다양한 관점에서 살펴본다.
햅틱스란 무엇인가? 우리는 어떻게 촉각 정보를 받아들이고 뇌로 전달할까? 다양한 응용 분야에서 사용되는 햅틱 장치에는 어떤 것이 있는가? 햅틱 기술을 통해 이루어야 할 도전 과제는 무엇인가? 등의 질문에 답하며 손끝에서 일어나는 섬세하고도 신비한 감각의 과학 속으로 독자를 안내한다.

피부에서 전달된 촉각 정보를 뇌에서 처리하는 방식부터
촉각을 구현하는 햅틱 디스플레이와 로봇 손까지
한 권으로 보는 언택트 시대의 최첨단 기술혁신, 햅틱스!

사람 간의 가벼운 접촉과 악수조차 꺼려지는 언택트 시대, 역설적으로 더욱 주목받는 기술이 있다. 손끝에서 일어나는 미세한 감각의 재현에 관해 끊임없이 연구하고 도전하는 분야, ‘햅틱스’다. 사실 햅틱스는 언택트 시대의 기술혁신 선두주자로 있다고 해도 과언이 아니다. 애플, 페이스북, 마이크로소프트, 디즈니 등 세계적인 기업들이 햅틱 장치를 작업하는 전담팀을 두고 있고 게임, 자동차, 의료, 모바일 등 여러 업계에서 다양한 햅틱 애플리케이션 개발에 적극적으로 참여하고 있다. 코로나바이러스로 인한 비접촉, 비대면으로 햅틱 장치 및 기술에 관한 수요가 커져 햅틱스 시장이 2020년에는 129억 달러, 2027년에는 408억 달러까지 성장할 것이라는 예측도 나온다.
이 흐름에 맞춰 중요한 첨단 과학 주제에 대한 기본적이면서도 깊은 핵심 지식을 전하는 김영사 DEEP & BASIC 시리즈 네 번째 책, 《햅틱스: 감각을 재현하는 촉각의 과학》이 출간되었다. 〈MIT Essential Knowledge〉 시리즈 중 한 권이기도 한 이 책은 햅틱스 분야에서 가장 권위 있는 국제 학술지 〈IEEE 트랜잭션스 온 햅틱스IEEE Transactions on Haptics〉의 편집장을 지낸 저자와 부편집장인 역자가 참여한 책으로, 촉각의 메커니즘부터 뇌에서 촉각 정보를 처리하는 과정, 촉각 일루전, 의수와 로봇 손의 개발, 다른 감각의 소실을 보완하는 감각 치환 시스템까지, 햅틱스를 다양한 관점에서 살펴본다. 전문적인 내용을 배제하지 않으면서도 쉽고 간결한 개요를 제공한다.
햅틱스란 무엇인가? 우리는 어떻게 촉각 정보를 받아들이고 뇌로 전달할까? 촉각은 다른 감각과 어떤 점이 다르며, 다른 감각이 소실된 경우 어떻게 보완하는가? 다양한 응용 분야에서 사용되는 햅틱 장치에는 어떤 것이 있는가? 햅틱 기술을 통해 이루어야 할 도전 과제는 무엇인가? 등의 질문에 답하며 손끝에서 일어나는 섬세하고도 신비한 감각의 과학 속으로 독자를 안내한다.

“옷감의 느낌, 과일의 무게, 물의 온도를 알려고 할 때
우리의 손과 뇌에선 어떤 일이 일어날까?”
외부 세계와 능동적으로 상호작용하는 유일한 감각, 촉각

복숭아가 익었는지 확인할 때, 뜨거운 물이 담긴 컵을 들어 올릴 때, 어두운 침실에서 전등 스위치를 찾을 때, 우리는 손을 사용해 촉각으로 물체의 특성을 파악한다. 물체와 접촉하면 피부와 근육 속에 있는 감각수용기는 촉각 정보를 모아 뇌로 피드백을 전달하고 뇌는 즉각 정보를 처리해 물체를 인지한다. 그 과정에서 손을 어떻게 사용하느냐에 따라 뇌에서 받아들이는 정보도 달라진다. 예를 들어 우리는 옷의 질감을 느껴보려면 자연스럽게 옷감 위를 손으로 문질러보고, 축구공에 바람이 있는지 확인하려면 손으로 눌러본다. 이처럼 촉각은 시각, 청각, 미각, 후각과 달리, 탐색하려는 대상과 능동적으로 상호작용하는 독특한 감각이다.
촉각의 메커니즘을 자세히 들여다보면 더욱 신비롭다. 연필을 쥐는 것처럼 일상적인 행동에도 대단히 복잡한 정보 입력과 처리가 이루어진다. 우리의 손의 구조를 살펴보면, 팔뚝부터 손까지 손가락을 움직이는 근육이 곳곳에 있고, 근육들 사이의 힘줄은 3개 이상의 관절 사이를 가로지른다. 중추신경계는 여러 수용기에서 발생한 입력의 공간적 배열을 이용해 관절의 움직임과 위치를 계산해낸다. 또한 피부 속 열감각수용기는 피부에서 느껴지는 온도 변화로 물건이 플라스틱인지 금속인지 구별할 수도 있다.

우리의 삶을 바꾸고 있는
햅틱스 기술의 현재와 미래

이러한 촉각의 과학을 기반으로 한 햅틱스는 기계공학, 전자공학, 컴퓨터공학, 생물학, 심리학 등 다양한 분야가 융합된 학문이다. 햅틱스는 여러 분야에서 단순히 정보를 인식하는 것을 넘어 차가움, 부드러움, 끈적함과 같은 질감을 통해 대상과 더 정교하고 섬세하게 교감하기 위한 놀라운 발전을 이어왔고, 그 성과가 다방면에서 상용되고 있으며, 지금도 계속해서 여러 기술적인 도전에 나서고 있다.
휴대전화, 태블릿 등에서는 이미 광범위하게 진동 촉각 디스플레이 기술이 사용되고 있다. 또한 손가락의 마찰력을 이용하여 평면 디스플레이 위에 가상의 질감이나 표면을 만지는 듯한 느낌을 재현하는 서피스 햅틱스 기술이 발달하면서 고품질의 질감을 표현할 수 있게 되었다. 특히 의료 분야에서는 햅틱 디바이스의 발달로 사람의 시신이나 동물을 이용해 수술을 연습해야 하는 필요성이 줄어들었으며, 의사가 원격조종기를 사용해 동작을 로봇 손에 그대로 재현하여 환자에게 수술을 진행하는 ‘다빈치 수술 시스템’이 큰 성공을 거두었다. 이 로봇 손이 구현하는 동작의 정밀도는 의사를 능가할 정도이며, 이로 인해 의사의 손 떨림과 같은 문제도 보완할 수 있다. 이외에도 신경계 장애로 손을 움직이지 못하는 환자의 재활 치료를 위한 ‘햅틱 장갑’과 다른 감각의 소실을 보완하기 위한 ‘촉각 치환 시스템’ 등 여러 햅틱 기술에 대한 구체적이고 다양한 사례가 등장한다. 이 책을 통해 독자는 햅틱스가 우리의 일상생활에 얼마나 깊숙이 들어와 있는지, 그리고 앞으로 삶에 어떤 변화를 가져올 것인지를 확인할 수 있을 것이다.

외부 세계를 섬세하게 인식하는 촉각의 메커니즘과
이 정교한 감각을 재현하는 기술에 관한 햅틱스 입문서!

이 책의 목적은 능동적 촉각 감지, 즉 햅틱스를 다방면에서 살펴봄으로써 햅틱스에 관한 핵심 지식을 습득하고 이해하는 것을 돕는 데 있다. 각 장에서 다루는 내용을 살펴보면 다음과 같다.

1장 〈어떻게 촉각으로 세상을 인식하는가〉에서는 피부의 전체 구조와 물체와 접촉했을 때 신호를 발생시키는 감각수용기와 같은 촉각 시스템의 구성요소를 이해하는 것에 초점을 둔다.
2장 〈손의 감각과 운동의 특징〉에서는 피부 운동감각의 기본적인 특성에 대해 전반적으로 다루며, 손의 움직임을 제어하는 촉각 신호의 역할과 손의 구조, 근육에 대해 설명한다.
3장 〈촉각 지각〉에서는 물질적 특성을 인식할 때 촉각이 어떤 식으로 특화되었는지를 중점으로 보고, 물체의 특정한 정보를 얻을 때 사용되는 여러 손 움직임의 중요한 역할들과 전체적인 촉각 지각 시스템의 속성에 대해 알아본다.
4장 〈햅틱 일루전〉에서는 물리적 자극을 예상치 못한 형태로 지각하는 ‘일루전illusion’에 대해 다룬다. 물체의 물리적 특성이 왜곡되는 것부터 신체 일부의 크기를 다르게 인식하는 것까지 여러 햅틱 일루전 현상을 소개하며, 이 현상으로 주변 환경을 인식하고 표현하는 과정을 들여다본다.
5장 〈촉각 및 햅틱 디스플레이〉에서는 휴대전화의 진동이나 고속도로의 노면요철포장에서 느껴지는 떨림, 시각장애인을 위한 점자 디스플레이 등 다양한 유형의 촉각 디스플레이 기술과 게임, 전자제품, 자동차 등 여러 분야에서 적용하고 있는 촉각 디스플레이 기술의 응용사례를 살펴본다.
6장 〈촉각 의사소통 시스템〉에서는 시각, 청각 등 소실된 다른 감각을 촉각으로 보완하는 ‘감각 치환시스템’을 다룬다. 점자, 옵타콘Optacon, 타도마Tadoma, 촉각 어휘 바이브라티즈Vibratese 등 시각, 청각장애인을 위한 다양한 촉각 치환 시스템을 설명한다.
7장 〈서피스 햅틱스〉에서는 평면을 만지는 손가락에 작용하는 마찰을 변화시켜 질감이 있는 물체를 직접 만지는 듯한 햅틱 효과를 생성하는 가변 마찰 디스플레이의 구현에 관한 기술과 도전에 대해 살펴본다.
8장 〈인공 감지: 의수와 로봇 손〉에서는 지난 수년간 의수와 로봇 손이 개발되어온 과정과 기술을 다룬다. 로봇 손을 이용한 다빈치 수술 시스템, 잡으려는 물체의 모양에 따라 쉽게 변형되는 유연집게 등 의수와 로봇 손의 응용 사례를 들여다본다.
9장 〈결론〉에서는 촉각의 중요성을 강조하며 햅틱스에 관한 핵심 내용을 다시 한번 정리하고, 인공적인 촉감을 생성하고 재현하는 것과 관련된 여러 도전 과제들을 살펴본다.

DEEP & BASIC 시리즈
: 중요한 첨단 과학 주제에 대한 기본적이면서도 깊은 핵심 지식
정보가 넘쳐나는 이 시대에는 누구나 언제든지 어떤 주제에 관한 설명을 찾을 수 있다. 문제는 대부분 이러한 지식이 피상적인 데 그치며 원리에 바탕을 둔 기초 지식을 찾기 어렵다는 것이다. 각 분야 최고의 전문가들이 쓴 이 시리즈는 비전문가들을 위해 전문적인 지식을 소개하고, 중요한 주제에 대한 기본적인 핵심 지식을 통해 복잡한 현상에 접근하는 법을 전한다.

* DEEP & BASIC 1 《공감각: 뇌에서 일어나는 놀라운 감각 결합의 세계》: 공감각 분야의 선구적인 연구자, 리처드 사이토윅이 전하는 인류의 4퍼센트가 경험하는 공감각에 관한 신경학적 연구.
* DEEP & BASIC 2 《데이터 과학: 더 나은 의사결정을 위한 통찰의 도구》: 기계학습 분야 전문가 존 켈러허, 브렌던 티어니가 전하는 데이터 과학에 관한 핵심 지식. 한국공학한림원 출판 지원사업 선정도서.
* DEEP & BASIC 3 《신경가소성: 일생에 걸쳐 변하는 뇌와 신경계의 능력》: 유니버시티 칼리지의 신경생물학자 모헤브 코스탄디가 시중에 만연한 단편적이고 잘못된 정보, 오해와 통념을 바로잡고 전하는 신경가소성에 관한 진짜 지식.
* DEEP & BASIC 4 《햅틱스: 감각을 재현하는 촉각의 과학》: 햅틱스 분야의 가장 권위 있는 학술지 편집장을 지낸 리넷 존스가 전하는 언택트 시대의 최첨단 기술혁신, 햅틱스.
(계속 출간됩니다.)

옮긴이의 말
한국어판 서문

1장 어떻게 촉각으로 세상을 인식하는가
2장 손의 감각과 운동의 특징
3장 촉각 지각
4장 햅틱 일루전
5장 촉각 및 햅틱 디스플레이
6장 촉각 의사소통 시스템
7장 서피스 햅틱스
8장 인공 감지: 의수와 로봇 손
9장 결론

용어설명
주
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우리는 손으로 접촉하는 것만으로도 익숙한 물체를 빠르고 정확하게 구분해낼 수 있다. 이는 촉각에 의존해서 물체의 물리적 성질을 인지하고 그 물체가 어떤 것인지 정의할 수 있는 능력 때문이다. 특히 손가락을 움직이면서 만지는 능동적 촉감active touch에서는 물체를 더욱 민감하게 지각하는데, 이러한 과정을 ‘햅틱스hap?tics’ 또는 ‘햅틱 감지haptic sensing’라고 한다. _11쪽

우리는 복숭아가 잘 익었는지 확인하기 위해 복숭아를 손으로 살짝 눌러보기도 하고, 얼마나 속이 차 있는지 무게감을 느끼기 위해 복숭아를 손으로 들어보기도 한다. 이 과정을 통해 복숭아가 우리의 손이 닿지 않는 곳에 놓여 있는 상태에서 판별하는 것보다 틀림없이 훨씬 더 많은 정보를 얻을 수 있다. 이런 측면에서 촉각은 시각이나 청각과는 다른 특성을 가지는데, 그것은 바로 ‘양방향성’이다. 즉 우리가 물체의 특성에 관하여 얻을 수 있는 정보는 그 특성을 감지하는 과정에서 손을 어떻게 움직이느냐와 절묘하게 연관된다. _15쪽

어떤 화학물질이 피부 위에 닿을 때, 그 화학물질의 온도가 실내온도와 같음에도 불구하고 우리는 그 물질들이 뜨겁거나 차갑다고 느낀다. 예를 들어 박하mint 향의 주성분인 멘톨men?thol 화합물은 차갑게 느껴지지만, 캡사이신이 포함된 매운 고추의 경우에는 뜨겁게 느껴진다. 이러한 인지효과는 피부의 감각처리 과정에서 발생하는데, 특히 표피층에 있는 신경 말단이 관여한다. 신경 말단에는 뜨거운 열과 캡사이신에 동시에 반응하는 특정 센서가 발견되었으며, 차가운 물체나 멘톨 같은 물질이 피부에 접촉했을 때 중추신경계로 신호를 전달하는 다른 종류의 신경 말단이 존재하는 것도 확인되었다. _42~43쪽

실제로 많은 고대 원숭이들과 영장류가 맞대는 엄지손가락opposable thumb을 가지고 있지만, 집게손가락 끝과 엄지손가락이 넓은 면적으로 접촉하는 것은 인류의 독특한 특성이다. 실제로 엄지손가락이 부상이나 절단으로 부재할 경우, 손의 기능이 40퍼센트 이상 상실되는 것으로 추정된다. 엄지손가락의 소실은 일상생활에서 매우 중대한 일이기 때문에 엄지발가락을 손에 붙여서 맞대는 기능을 다시 부여하는 재건 수술이 종종 행해지기도 한다. _47쪽

사람 사이 대부분의 소통에는 눈으로 보는 것과 귀로 듣는 것이 포함되지만, 접촉하는 것 역시 매우 필수적인 요소이다. 직원 수가 모자란 보육원에서 주로 나타나는, 신체 접촉이 결여된 유아들의 성장이나 발달에 장애가 있는 현상이나, 피부 대 피부로 어머니와 접촉을 많이 한 미숙아들은 호흡기 질환 및 감염 발생률이 낮다는 연구는 촉각 자극이 얼마나 중요한지 보여주는 증거가 된다. 이러한 촉각의 발달적 측면을 넘어서서, 피부를 의사소통의 매개체로 사용하는 것에 대한 관심은 19세기 초의 점자의 발달로 이어졌다. _94쪽

햅틱 장갑은 뇌졸중이나 다른 신경계 장애로 인해 손을 움직이거나 감각을 느끼는 능력을 상실한 환자를 위해 손의 사용을 재훈련하는 것을 돕는 형태로 여러 임상 연구 환경에서 사용되었다. 햅틱 장갑은 움직임을 측정하고 사용자의 재활을 도울 수 있는 증강된 피드백을 제공하는 데 사용될 수 있다. 햅틱 장갑이 가상환경과 결합되면 일종의 게임을 만들 수 있는데, 환자가 병원이나 클리닉이 아닌 가정에서 개인적으로 운동을 할 수 있게 하여(재활에서 중요한 일이다) 설정된 목표를 달성하도록 환자를 독려할 수 있다. _116~117쪽

근래에 원격조종을 활용하여 상업적인 성공을 거둔 대표적인 예가 다빈치 수술 시스템da Vinci Surgical System(Intuitive Surgical, Inc.)이다. 외과의사는 원격조종기를 사용하여 동작을 수행하고 이 동작은 외과 도구를 잡고 있는 로봇 팔에 재현되어 환자에게 수술을 진행한다. 이 시스템은 외과의사의 손 떨림과 같은 어떠한 치명적인 문제도 걸러낼 수 있다. 로봇 팔을 제어하여 만들어낼 수 있는 동작의 정밀도는 외과의사의 정밀도를 능가한다. _153쪽

촉각을 길 찾기의 보조도구로 사용하는 것은 촉각 디스플레이의 가장 유망한 일반적 응용 사례 중 하나이다. 만약 휴대전화의 길 찾기 응용 프로그램과 통신하면서 진동 전동기나 감지기를 탑재하여 사용자에게 방향 정보를 제시할 수 있는 영리한 신발이나 옷이 있다면, 휴대전화를 쳐다보면서 가로등 기둥이나 차 앞으로 걸어가는 사람에 대한 보고가 줄어들 것이다. _159쪽