MIT 연구진이 개발한 스마트 장갑, 손의 움직임과 촉각 활용해 학습 효과 극대화
센서·햅틱·머신러닝 기술 결합, 촉각 인지 차이를 고려한 맞춤형 학습 경험 제공
향후 기술 발전과 더불어 다양한 분야에서 그 활용 범위가 더욱 확대될 것으로 기대 

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손은 '제2의 뇌'라고 불릴 만큼 뇌 기능과 밀접하게 연결되어 있다. 손을 사용하는 활동은 뇌를 자극하고 인지 능력 향상에 도움을 줄 뿐만 아니라, 뇌 건강 유지에도 중요한 역할을 한다. 그래서인지 최근에는 손과 관련된 다양한 스마트 기기들이 연구·개발되고 있다. 뇌졸증 환자들이 가정에서 쉽고 안전하게 재활 치료할 수 있도록 도와주는 스마트 글러브가 대표적인 예다.

손의 물리적인 기능 향상과 더불어, 손의 움직임을 안내해 개인의 학습 효과를 극대화하는 '적응형 스마트 장갑'도 등장하고 있다. 지난 2월 네이처 자매지인 네이처커뮤니케이션즈에 게재된 한 논문에 따르면 연구진이 개발한 스마트 장갑은 피아노 교사의 연주를 학습해 학생 맞춤형 지도를 제공할 수 있다고 한다. 주로 시각과 청각에 의존해야 했던 피아노 연주와 같은 실습 위주의 훈련에 촉각을 더하여 학습의 몰입감을 한 단계 높였다는 평을 받고 있다.

촉각 피드백으로 전달되는 교습, 손으로 가르치고 손으로 배워

연구진이 개발한 이 적응형 스마트 장갑은 진동이나 힘과 같은 물리적 감각을 통합하는 햅틱 기술을 사용한다. 기술에서 느껴지는 복잡성과 달리, 얇은 면으로 만들어진 스마트 장갑은 단 20분 만에 기계 바느질로 완성될 수 있다. 직물에 촉각 센서를 직조한 단순한 형태 덕분에 피아노뿐만 아니라 다른 실습 기술을 가르치는 데에도 유용할 수 있다고 한다.

연구원들은 스마트 장갑을 이용해 피아노 교사가 곡을 연주하는 동안 손의 움직임을 기록했다. 장갑을 낀 피아노 교사가 반복적으로 곡을 연주하면 머신러닝 알고리즘이 건반 위 움직임을 학습하고 이를 교육용 진동으로 변환하는 작업을 거친다.

그런 다음 손끝 진동을 통해 교사의 손 움직임을 학생에게 전달한다. 학습자가 근육 기억을 쌓고 곡을 더 정확하게 연주할 수 있도록 돕는 원리다. 아울러 손가락의 위치나 리듬에서 실수가 발생하면 수정을 유도하기 위해 진동 강도를 높이는 방식을 활용했다고 밝혔다.

촉각 피드백의 주관성 문제, 적응형 알고리즘으로 맞춤형 학습 경험 제공

촉각 상호작용을 전달할 때 가장 큰 문제는 사람마다 촉각 피드백을 다르게 인식한다는 점이다. 논문의 주 저자인 이유 루오(Yiyue Luo) 연구원은 피아노 연주와 같은 손의 움직임은 일반적으로 매우 주관적이고 기록·전송이 어렵다고 지적했다.

하지만 적응형 스마트 장갑을 사용하면 한 사람의 촉각 경험을 추적하고 이를 다른 사람과 공유하여, 촉각 학습 과정을 개선할 수 있다고 루오 연구원은 강조했다. 개별 사용자의 선호도와 반응에 맞게 촉각 피드백을 조정하는 적응형 머신러닝 에이전트가 있어 터치 상호작용의 주관적인 특성을 해결할 수 있다는 것이다.

실험 결과 장갑을 끼고 연습한 학생들은 그렇지 않은 학생들보다 평균적으로 더 정확하게 연주했다. 그리고 학습 효과는 피아노 연주 실험뿐만 아니라 다른 실험에서도 나타났다. 마우스와 키보드로 온라인 게임을 하는 사람들을 대상으로 장갑의 기능을 실험한 결과, 장갑의 안내에 따라 게임을 한 사람들은 그렇지 않은 사람들보다 평균적으로 더 높은 점수를 받았다.

인간과 로봇의 긴밀한 협업, 스마트 장갑이 열어주는 새로운 가능성

연구원들은 사람-사람 간의 학습을 넘어 사람-로봇 간의 학습에도 스마트 장갑의 메커니즘을 적용해 봤다. 연구진은 로봇 팔이 사람의 섬세한 움직임을 학습할 수 있는지를 확인하고 싶었다. 로봇 팔이 빵의 형태를 망가트리지 않으면서 집어 올릴 방법을 장갑을 낀 손으로 원격 조작을 통해 가르쳤다.

그 결과 로봇을 보다 정밀하게 제어할 수 있었다고 연구진은 전했다. 이는 곧 다양한 분야에서의 사람과 로봇 간의 협업이 가능하다는 것을 의미하는데, 특히 안전성과 정밀성을 요구하는 제조·의료 환경에서 잠재력이 클 것으로 기대된다.

같은 맥락에서 가상 현실(VR)에서의 응용 가능성도 빼놓을 수 없다. 비슷한 종류의 제품이 이미 많이 출시된 것은 사실이지만, 적응형 스마트 장갑의 맞춤형 촉각 피드백 기능과 원격 제어의 정밀성은 다른 제품보다 한 차원 높은 수준을 자랑한다. 따라서 가상 현실에서 시각·청각·촉각이 모두 동원된 학습 경험은 의료 수술과 같은 고난이도 작업에서 그 효율성이 극대화될 것으로 예상된다.

물론 현재 스마트 장갑은 버튼 누르기나 물건 잡기와 같은 간단한 동작만 지원하고 있다. 하지만 향상된 머신러닝 알고리즘과 액추에이터를 도입하면 위에서 언급한 수술과 같은 더 복잡한 작업도 가능해져, 가까운 시일 내에 가상 현실 기반 기술 훈련의 범위를 크게 넓힐 것으로 전망된다. 로봇 제어나 가상 세계에서의 몰입 경험 또한 한 단계 더 진화할 것이다.

한편 루오 연구원과 그녀의 연구팀은 웨어러블 기술을 손가락 이상으로 확장할 수 있다고 말했다. 더 강력한 햅틱 피드백을 통해 손보다 덜 민감한 발, 엉덩이 및 기타 신체 부위를 지도할 수 있는 인터페이스를 만들 수 있다며 앞으로의 연구에 더 큰 기대를 모았다.

영어 원문 기사는 사이언티픽 아메리칸에 게재되었습니다.