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[홍석윤의 AI 천일야화]로봇 설계, 자연을 닮아가다①로봇 엔지니어들, 동물의 놀라운 움직임 그대로 재현

[이코노믹리뷰=홍석윤 기자] 몸집이 작은 토이 푸들(Toy Poodle, 인형 같이 생긴 프랑스산 개)은 몸이 물에 젖으면 척추를 비틀거나 초당 4회라는 놀라운 속도로 온몸을 흔들어 물을 털어낸다. 빨래 건조기가 푸들이 몇 번 흔들면 털어낼 수 있는 만큼의 물을 제거하려면 적어도 20분은 걸릴 것이다.

푸들의 척추처럼 효과적이고, 유연하고, 적응적으로 움직이는 기계를 설계할 수 있다면 어떨까? 우리는 로봇을 만드는데, 푸들뿐 아니라 다른 동물들의 특이한 생리학적 움직임으로부터 어떤 교훈을 얻을 수 있을까?

동물 중추신경의 중심패턴 신경망

수백만 년 동안, 동물들은 무수한 모양과 형태를 취하도록 진화하면서, 다양한 신체적인 도전을 해결하기 위해 적응해 왔다. 이중 많은 동물들은 우리 인간처럼 많은 장애를 극복해 왔다. 그런 동물들의 움직임을 측정하고 분석하는 새로운 기술이 발달하면서, 우리는 오늘날 동물을 이전보다 더 명확하고 정확하게 동물의 움직임을 연구한다. 이 연구는 로봇 공학과 재료 과학 그리고 다양한 다른 분야에 큰 영향을 미치고 있다.

대개의 보행 동물들은, 유연한 등 근육에 의해 지탱되고 중추신경계의 중심 패턴 발생기(central pattern generator, CPG)라는 신경망 조직에 의해 제어되는, 유연한 척추를 가지고 있다. 이 유연한 등 근육과 중심 패턴 신경망이 상호 작용해 동물들은, 뇌로부터 어떤 명령을 받기 위한 지체함 없이, 즉각적으로 몸을 회전하고, 비틀고, 달리고, 수영하고, 심지어는 발을 잘못 디뎠을 때도 순간적으로 자세를 회복하는 것이다. 이와 달리, 오늘날 대부분의 상업용 로봇들은 중앙 처리 장치(CPU)가 각각의 관절로 명령을 보내는 동작을 조종된다.

지금으로부터 10년 전, 스위스 로잔 공과대학교(EPFL)의 바이오로보틱스 연구소의 한 팀이 살라만드라 로보티카(Salamandra Robotica)라는 긴 이름을 가진 다리가 4개인 걷는 로봇을 만들었다. 이 로봇은 CPU의 지시 없이, 몸의 각 부분이 CPG에 의해 자율적으로 이동할 수 있는 최초의 로봇이었다. 이 로봇은 지난 2013년에 한층 업그레이드되어, 물에서 수영하다가 육지로 오면 부드럽게 보행으로 움직임을 전환한다. 마치 모든 지형에서도 아무런 문제 없이 움직일 수 잇는 장난감 같았다.

   
▲ 스위스 로잔 공과대학교(EPFL)의 바이오로보틱스 연구소가 만든 살라만드라 로보티카(Salamandra Robotica)라는 도룡용이 물 밖으로 나오는 것까지도 그대로 따라한다.  출처= EPFL

사막을 휘젓고 다니는 도마뱀

뱀 같은 동물은 몸을 비틀고 구부리고 때로는 압축하면서 보행 동물과는 또 다른 척추 유연성을 보여준다. 카네기 멜론 대학교(Carnegie Mellon University)가 개발한 뱀 로봇은, 다른 형태의 기기들을 들어갈 수 없는 좁은 공간 속으로 미끄러져 들어갈 수 있다. 이 뱀 로봇의 각 마디는 자신의 주변 환경을 감지해, 얼마나 많은 힘을 써야 하는지, 어떤 방향으로 가야 하는지를 스스로 계산한다. 2017년 멕시코시에서 지진이 발생했을 때, 수색 구조 작업을 지원하기 위해 이 뱀 로봇 1대를 배치했다.

로봇 엔지니어들이 오랫동안 봉착했던 어려움 중 하나가, 모래(지구의 3분의 1을 차지하고 있고, 또 미국의 최근 전투 지역이기도 하며, 태양계의 가장 가까운 행성을 뒤덮고 있다) 위에서 로봇을 움직일 수 있게 하는 것이었다. 모래는 상황에 따라 때로는 액체처럼, 때로는 고체처럼 움직이는 작은 알갱이로 구성되어 있고, 모래의 미묘한 물리학은 거대한 물체도 순식간에 묻어버리는 싱크홀을 만들어 내기 때문이다.

2010년 4억 달러나 들인 화성 탐사선 스피릿(Spirit)은 바퀴가 화성의 모래 구덩이에 빠지면서 6년간의 탐험을 끝냈다. 탐사선이 모래에서 벗어나려고 하면 할수록 탐사선은 모래 속으로 더 깊이 빠져들었던 것이다.

하지만 어떤 동물들은 모래 위를 휘젓고 다니며 잘도 논다. 손 바닥 만한 크기의 도마뱀인 도루묵(sandfish)은 액체 같기도 하고 고체 같기도 한 모래의 성질을 최대한 이용하기 위해 다리를 제치고 휘저으며 모래 속을 헤엄치듯 다니면서 다이빙도 한다.

펜실베니아 대학교(University of Pennsylvania)의 연구원들은 이 도루묵의 움직임을 복제해, 재빠르게 휘젓는 다리 6개가 달린 로봇 RHex와 그 축소형이라 할 수 있는 샌드봇(Sandbot)을 개발했다.

대부분의 전천후 차량은 무게를 분산시키고 모래를 그 아래에서 단단하게 만들기 위해 큰 바퀴나 발판을 사용하지만, RHex는 사람이 얇은 얼음 위를 걷는 것처럼, 모래가 액체처럼 되는 것을 막기 위해 독특하게 생긴 발의 속도를 조절한다. 이 로봇은 현재 보스턴 다이나믹스(Boston Dynamics) 가 군사적 목적으로 생산하고 있다.

본 기사는 지난해 프린스턴 대학교에서 출간한 조지아 공과대학 기계공학과 교수 휴 박사의 신간 <로봇이 어떻게 물 위를 걷고 절벽을 오를 수 있을까: 동물의 움직임과 미래의 로봇>(How to Walk on Water and Climb up Walls: Animal Movement and the Robots of the Future)를 월스트리트저널(WSJ)이 발췌 요악한 것임.

홍석윤 기자  |  syhong@econovill.com  |  승인 2019.02.03  19:55:12
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