스마트워치 화면이 작아 불편하다면 손목 옆 팔뚝을 터치패드로 쓰면 된다. 미국 노스캐롤라이나주립대(NC State) 연구진이 손목밴드에 단 소형 레이더로 팔뚝 피부 위 손가락 움직임과 누르는 힘을 읽어내는 입력 기술 ‘EpiPad’를 개발했다. 스크롤·확대·아이콘 선택 같은 동작을 노트북 트랙패드처럼 할 수 있다.

연구 논문은 10월 13일부터 15일까지(현지시각) 상하이에서 열린 UbiComp/ISWC 학회에서 발표됐다. 논문은 학술지 ‘ACM 상호작용·모바일·웨어러블·유비쿼터스 기술 회보(Proceedings of the ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies)’에도 실렸다.

작은 화면에 담기 어려운 ‘트랙패드식 조작’

연구진이 겨냥한 것은 웨어러블 기기의 오랜 딜레마다. 기기가 작아질수록 휴대하기는 편해지지만 조작은 어려워진다. 관련 보도는 EpiPad가 정보를 보여주는 공간과 입력을 받는 공간을 분리하는 접근이라고 설명했다. 팔뚝은 어디까지나 입력 면이고 결과는 시계 화면에서 확인한다. 노트북 사용자가 화면을 만지지 않고 커서를 움직이는 것과 같은 구조다.

논문 교신저자인 Chenhan Xu 컴퓨터과학 조교수는 “스마트워치 화면은 휴대전화나 노트북에서 매일 쓰는 터치 상호작용에는 너무 작다”고 말했다. 두 손가락 스크롤, 핀치 줌(두 손가락을 벌려 확대하는 동작), 더 세게 눌러 다른 명령을 내리는 동작이 대표적이다. 그는 “그런 수준의 조작 제어를 사용자에게 줄 수 있는 작은 웨어러블 기술을 만드는 것이 목표였다”고 설명했다.

제1저자인 박사과정 Yuliang Fu는 “사용자가 친숙하게 느끼는 방식으로 스마트워치와 상호작용하길 원한다”며 “EpiPad는 맥북 트랙패드를 쓸 때와 같은 입력 표현력을 준다”고 말했다. 논문에는 박사과정 Rakshita Ranganath와 Huining Li 조교수도 공저자로 이름을 올렸다.

손끝이 피부를 누를 때 생기는 미세한 눌림을 읽는다

핵심은 밀리미터파(mmWave) 레이더다. 전파를 쏜 뒤 되돌아오는 반사 신호를 분석하는 장치로, 손끝이 피부를 누를 때 생기는 아주 작은 움푹함이 반사 신호를 바꾼다. 이 변화에서 손가락이 닿은 위치와 누르는 세기를 추정한다. 피부 위에 전자 센서를 덮지 않아도 되는 것이 특징이다. Fu는 여러 손가락과 각 손가락의 압력을 동시에 추적한다고 설명했다.

센서 배열의 크기는 약 5mm×4mm다. 인터레스팅 엔지니어링(Interesting Engineering)에 따르면 연구진은 밀리미터파의 위상 변화(phase dynamics)를 활용한 신호 처리 방식으로 가해진 힘을 추정한다. 여기에 가벼운 머신러닝 모델을 더해 제스처를 인식하고 사용자의 입력을 해석한다.

피부는 유리 화면보다 예측하기 어려운 표면이다. 팔 모양과 조직 특성, 신체를 만지는 방식이 사람마다 다르기 때문이다. 그래서 처음 밴드를 착용한 사용자는 표준 동작을 몇 가지 수행하는 보정 과정을 거친다. 이 과정은 4분이 채 걸리지 않으며, 논문 기준으로 3분 54초다.

현재 시제품은 회로기판이 밖으로 드러난 손목밴드 형태다. 연구진은 센서 모듈이 작아 일반 스마트워치에 덜 눈에 띄는 형태로 넣을 수 있다고 본다.

20명 실험: 제스처 92.8%, 힘 분류 90.2%

성능 평가에는 참가자 20명이 참여했다. 보도에 따르면 제스처 인식 정확도는 92.8%, 힘 수준 분류 정확도는 90.2%였다. 평균 위치 오차는 10.2mm로 약 1cm다. 인터레스팅 엔지니어링은 이 위치 정밀도가 학습 데이터에 포함되지 않은 사용자에게서 나온 값이라고 전했다. 세 수치는 서로 다른 능력을 재는 것으로, 하나의 종합 정확도로 합쳐 볼 수는 없다.

실사용에 가까운 비교 실험도 있었다. 참가자 12명이 일반 터치스크린, 기기를 기울여 커서를 움직이는 ‘틸트 커서’, EpiPad로 스마트워치 입력 과제를 수행했다. 목표물 선택에 걸린 평균 시간은 EpiPad가 2.82초로 터치(3.26초)와 틸트(3.27초)보다 짧았다.

오류율 차이는 더 컸다. EpiPad는 6.5%였고 터치는 21.7%, 틸트는 7.4%였다. 터치스크린 목표물의 크기는 1.28~5.12mm였다. 이 정도로 작으면 손가락이 선택하려는 대상을 가리기 쉽다. 입력 위치를 화면 밖으로 옮기면 이 문제가 줄어들 수 있다는 뜻이다. Fu는 “EpiPad가 오류율과 효율 모두에서 나머지 두 방식을 앞섰다”고 말했다.

10달러 미만 부품, 업계 협력 모색…남은 과제

Xu 조교수는 EpiPad의 기능 부품, 특히 레이더 센서 배열이 비교적 저렴하다고 밝혔다. 웨어러블 기기에 대량으로 들어가면 가격은 더 내려간다고 했다. 그가 제시한 수준은 10달러 미만(약 1만 3,400원 미만, 1달러 1,342원 기준)이다. 연구진은 차세대 기기에 이 기술을 넣는 방안을 찾기 위해 업계 파트너와 협력할 의향이 있다고 밝혔다.

적용 대상은 스마트워치에 그치지 않는다. Xu는 AI 글라스처럼 화면이 없는 웨어러블 기기도 사용자의 피부를 터치 면으로 쓸 수 있다고 말했다. 웨어러블 전자기기가 갈수록 작아지는 추세여서 쉽고 믿을 만한 조작 방식이 매력적인 기능이 될 수 있다는 설명이다.

다만 한계는 분명하다. 더 브라이터 사이드 뉴스(The Brighter Side of News)는 옷, 전력 소모, 하드웨어 통합이 여전히 과제라고 짚었다. 이 매체는 결과가 보정 이후의 성능이라는 점도 강조했다. 낯선 사용자가 착용 즉시 같은 정확도를 얻는다는 증거는 아니라는 것이다. 터치스크린과의 비교도 목표물 크기와 과제 설계에 영향을 받아 모든 시계 인터페이스를 이긴다고 단정할 수 없다. 인터레스팅 엔지니어링도 이번 결과가 상용 제품이 아닌 시제품과 비교적 작은 규모의 사용자 연구에 기반한다고 밝혔다.