MIT 연구진, 사용자의 움직임을 감지하고 반응하는 직물 개발
직물 생산은 인류가 알고 있던 가장 오래된 기술 중 하나일 수 있지만, 정보화 시대의 성과를 우리 옷에 적용하는 것은 쉽지 않은 것으로 드러났습니다. 옷을 현대에 맞게 바꾸려는 일부 시도, 예컨대 Google Project Jacquard는 특별히 성공적이지 못했습니다.
매사추세츠 공과대학(MIT)과 스웨덴 연구진이 개발한 새로운 유형의 섬유로는 늘어나거나 줄어드는 정도를 스스로 감지하고, 이어서 압력, 측면 신축 또는 진동 형태의 즉각적인 촉각 피드백을 제공하는 옷을 만들 수 있습니다.
연구팀은 이러한 직물을 수영 선수의 훈련을 돕는 옷, 호흡 조절을 돕는 스포츠 의류, 그리고 질병이나 수술에서 회복 중인 환자가 호흡 패턴을 되찾는 데 쓰는 옷에 활용할 수 있다고 봅니다.
다층 구조의 섬유는 중앙에 액체 채널을 갖고 있으며, 이 채널은 특수 유체 시스템으로 활성화됩니다. 이 시스템은 압축 공기나 물 같은 유체를 채널에 가압하고 배출하여 섬유의 형태를 제어하므로, 섬유가 인공 근육처럼 작동합니다. 섬유에는 늘어나는 정도를 감지하고 측정할 수 있는 신축성 센서도 들어 있습니다. 이렇게 만들어진 복합(다성분) 섬유는 얇고 충분히 유연해서 일반적인 상업용 기계로 꿰매거나 짜거나 뜰 수 있습니다.
OmniFibers라는 이름의 이 섬유는 2021년 10월 사용자 인터페이스 소프트웨어 및 기술 협회의 온라인 학회에서 공개되었습니다. 새로운 섬유 구조에는 몇 가지 핵심 특징이 있습니다. 매우 가늘고 저렴한 소재를 사용하기 때문에 다양한 형태의 직물로 비교적 쉽게 구성할 수 있습니다. 또한 외층이 일반 폴리에스터와 유사한 소재로 만들어져 사람의 피부와도 호환됩니다.
직물이 빠르게 반응하고 다양한 힘을 전달할 수 있기 때문에, 빠른 피드백 시스템을 훈련이나 촉각(촉감 기반) 원격 통신에 활용할 수 있습니다. 연구진에 따르면, 기존 인공 근육 섬유의 단점은 열로 작동해 피부에 닿을 때 과열을 일으키거나, 에너지 효율이 낮거나, 훈련 과정이 까다롭다는 점입니다. 이러한 시스템은 반응과 복원 속도가 느린 경우가 많아, 빠른 피드백이 필요한 용도에 즉시 쓰기 어렵습니다.
이 소재의 첫 시험 적용으로 연구팀은 가수가 입을 수 있는 속옷 형태의 제품을 만들었습니다. 이 옷은 호흡 근육의 움직임을 추적하고 재현하며, 같은 옷을 통해 운동감각적 피드백을 제공해 최적의 자세와 원하는 발성에 맞는 호흡 패턴을 익히도록 돕습니다.
MIT 연구원 오즈군 킬리치 아프사르는 이렇게 말했습니다. “노래는 제게 특히 가까운 분야입니다. 어머니가 오페라 가수이고 소프라노이시거든요.” 이 옷을 개발하고 제작하는 과정에서 연구진은 클래식 교육을 받은 오페라 가수 켈시 코튼과 협력했습니다. 연구진은 가수에게 로봇 섬유로 만든 옷을 입고 노래를 부르게 했고, 직물에 짜 넣은 전압 센서의 움직임 데이터를 기록했습니다. 이후 이 데이터를 적절한 촉각 피드백으로 변환했습니다.
“결국 우리는 숙련된 가수의 생리에서 포착한 복잡한 움직임을 기록하고 재현하기 위해 직물에서 원하던 감각과 작동 방식을 모두 구현할 수 있었고, 이를 가수가 아니라 초보자의 몸에 전달할 수 있었습니다. 따라서 우리는 이런 지식을 전문가에게서 단순히 얻는 데 그치지 않고, 배우는 사람에게 직접 전달할 수 있습니다”
이번 초기 테스트는 보컬 교육의 맥락에서 이루어지지만, 같은 접근법을 활용해 운동선수가 특정 상황에서 호흡을 가장 잘 조절하는 방법을 익히도록 도울 수 있습니다. 이를 위해 숙련된 선수가 다양한 동작을 수행하는 모습을 모니터링하고, ‘작동 중인’ 근육군을 자극하는 방식이 쓰입니다. 궁극적으로는 이런 옷이 중대한 수술이나 코로나바이러스 같은 호흡기 질환을 겪은 환자가 건강한 호흡을 회복하도록 돕거나, 수면 무호흡증의 대체 치료법으로 쓰일 수도 있으리라 기대됩니다.
아프사르는 스톡홀름의 스웨덴 왕립공과대학(KTH)에서 박사 학위 과정의 일환으로 이 연구를 수행하고 있습니다. 그녀는 이렇게 설명합니다. “호흡의 생리학은 실제로 꽤 복잡합니다. 우리는 어떤 근육을 사용하는지, 그리고 호흡 생리가 무엇으로 이루어져 있는지 완전히 이해하지 못합니다.” 따라서 연구진이 만든 옷에는 사용자가 들이마시고 내쉴 때 각 근육군을 모니터링하는 개별 모듈이 있으며, 각 근육군이 활성화되도록 자극하기 위해 개별 움직임을 재현할 수 있습니다.
미디어 아트 및 과학 교수 이시이 히로시는 이 기술의 많은 활용 가능성을 예상한다고 밝혔습니다. “누구나 숨을 쉬어야 합니다. 호흡은 생산성, 자신감, 업무 능력에 큰 영향을 미칩니다. 호흡은 노래에 중요하지만, 수술이나 우울증 후 회복에도 도움이 될 수 있습니다. 명상에도 호흡은 중요합니다.” 그의 말에 따르면, 이 시스템은 호흡 외에 다른 근육 움직임을 훈련하는 데도 유용할 수 있습니다.
“우리 예술가 중 많은 이들이 놀라운 서예를 연구해 왔지만, 저는 이 피드백 소재로 만든 소매와 장갑으로 붓질의 역동성을 느껴 보고 싶습니다. 또한 올림픽 선수들은 역도 선수든 스키 선수든 최고 선수들의 움직임을 재현하는 옷을 입고 기술을 연마할 수 있습니다”
실처럼 보이는 이 부드러운 섬유 복합체는 다섯 개의 층으로 이루어져 있습니다:
- 가장 안쪽의 유체 채널
- 작동 유체를 담은 실리콘 기반 엘라스토머 튜브
- 변형을 전기 저항의 변화로 감지하는 부드러운 신축성 센서
- 섬유의 외형 치수를 조절하는 신축성 있는 땋은 폴리머 외부 메시
- 전체 신축성에 기계적 한계를 주는 비신축성 실
“이 연구는 섬유 수준의 공학과 직물 수준의 설계가 잘 결합되어 있습니다. 이 작업은 인서팅과 능동 스페이서 직물을 포함한 다양한 기계 편직 기법을 보여 주며, 활성 섬유를 직물에 넣는 방법에서 최첨단 수준을 보여 줍니다. 웨어러블 기기와 능동 직물의 상호작용을 말할 때, 변형 센서와 피드백의 통합이 중요합니다”
연구진은 직물을 더욱 개선하는 작업을 계속할 계획입니다. 여기에는 제어 전자장치와 압축 공기 공급 시스템을 더 눈에 띄지 않고 더 소형화하는 작업이 포함되며, 더 긴 섬유를 생산할 수 있는 제조 시스템 개발도 포함됩니다. 향후 몇 달 안에 이 시스템을 이용해 전문가의 기술을 초보 가수에게 전달하는 실험을 시작하고, 이후 안무가와 무용수를 포함한 다양한 신체 동작 훈련을 연구할 예정입니다.
