생체모방
로봇이 자연에서 영감을 얻는 방법
과학 소설 작가들의 즐거움의 원천에서 인간 사회의 발전을 위한 도구가 되기까지, 로봇과 로보틱스는 긴 여정을 걸어왔습니다.
2016년부터 2028년까지 전 세계 로봇 시장은 거의 US$23 billion에서 US$45 billion 이상으로 성장할 것으로 예상됩니다. 초기에는 로보틱스가 산업 현장에만 국한될 것이라고 여겨졌습니다.
반대로 현재 로봇 시장의 절반 이상이 서비스 로봇으로 구성됩니다. 오늘날 로봇은 자동차 산업, 화학 산업, 전기·전자 산업, 식품 산업, 의료 산업 등 다양한 분야에서 널리 활용되고 있습니다. 더욱 혁신적으로 로봇 공급업체들은 농업, 가사 노동, 엔터테인먼트와 같은 전통 분야에서도 활용을 보장하고 있습니다.
로보틱스가 많은 전통 분야에서 변혁적인 역할을 해왔다는 것은 사실이지만, 주변 세계로부터 한두 가지를 배울 수 있을까요? 오늘은 로보틱스가 자연에서 영감을 얻을 수 있는 사례들을 자세히 살펴보겠습니다.
생물 모방 로보틱스가 회전딱정벌레에게서 스스로를 풍부하게 할 수 있는 방법
세계에서 가장 빠르게 헤엄치는 곤충으로 알려진 회전딱정벌레는 가속도 100미터/초, 최고 속도는 몸 길이 100배/초, 즉 정확히 1미터/초에 달합니다. 하지만 어떻게 이런 속도와 가속을 달성할까요?
그들의 비행 전략은 연구원들에 의해 연구되었으며 Current Biology 저널에 발표되었습니다. 연구 제목은 ‘회전딱정벌레가 가장 빠른 곤충 수영을 위해 양력 기반 추력을 사용한다’였습니다.
연구팀은 서로 다른 각도에서 동기화된 고속 카메라 두 대를 사용했습니다. 그 결과는 양력 기반 추력을 상세히 보여주는 비디오였습니다. 이 메커니즘은 프로펠러와 유사하게 작동하며, 추력 움직임이 물 표면에 수직으로 발생합니다. 이 방식은 항력을 감소시키고 더 큰 운동량을 제공해 속도를 높입니다.
이 발견이 왜 중요한가요? 양력 기반 추력이 대형 유기체에서 이미 확인된 것은 사실이지만, 이번 연구는 이 현상이 1센티미터 수준의 작은 규모에도 적용된다는 것을 보여줍니다.
농업·생명과학 대학의 생물·환경공학 조교수인 Chris Roh에 따르면, 이 발견은 생물 모방 로보틱스 및 기타 공학 커뮤니티에 먼저 올바른 물리를 식별하고 그 물리를 로봇 제작에 보존하려는 노력을 촉구합니다.
보다 구체적으로, Roh는 이 현상이 회전딱정벌레의 양력 생성 추진 메커니즘을 활용해 무인 로봇 선박을 개발하는 데 활용될 수 있다고 믿습니다. 미국은 승무원에게 숙소를 제공해야 하는 제약이 없는 이러한 선박을 개발 중입니다.
이 연구는 로보틱스를 새로운 시각으로 바라보게 합니다. 자연으로부터 영감을 받아 이를 인간-기계 설계에 역설계하는 것은 언제나 가능합니다. 우리는 자연·인간·기계 간의 시너지 사례를 더 찾아냈습니다.
연체동물 모방 로봇, 연성 로보틱스의 미래로 찬사를 받은 문어 영감 로봇
이탈리아 피사에 있는 Sant’Anna 바이오로보틱스 연구소의 교수 Cecilia Laschi가 2016년에 만든 문어 영감 로봇은 매우 유연했으며, 그 당시 개발된 대부분의 연성 로봇보다 환경에 훨씬 더 민감하고 정확하게 반응할 수 있었습니다. Laschi의 말에 따르면:
“이 비교적 새로운 연구 분야는 로봇이 할 수 있는 일과 활용될 수 있는 영역에 대한 우리의 생각을 뒤흔들 잠재력을 가지고 있습니다.”
이 로봇은 훨씬 적은 컴퓨팅 파워만을 필요로 했으며 거친 지형에서도 뛰어난 이동성을 보였습니다. 액체를 흡입한 뒤 몸 밖으로 배출할 수 있었고, 여덟 개의 다리를 이용해 거친 해저를 빠르게 이동할 수 있었습니다.
이 로봇은 전기에 노출되면 형태가 변하는 전기활성 폴리머로 제작되었습니다. 2016년 초 지중해에서 성공적인 테스트를 마쳤으며, 이후 연성 로보틱스 분야의 발전에 크게 기여했습니다.
예를 들어 2017년 하버드 대학은 Octobot을 개발했는데, 이는 모든 기계 부품을 유사한 연성 시스템으로 교체한 연성 로봇입니다. 3D 프린팅으로 제작되었으며, 전력 및 움직임 제어를 돕는 내장형 채널을 가지고 있으며 가스 구동 공압으로 작동합니다.
문어 영감 개발 외에도, 생물 모방 로보틱스는 다른 동물도 모방했습니다. 예를 들어, 로잔 연방 공과대학(École Polytechnique Fédérale de Lausanne) 엔지니어들은 도롱뇽의 움직임을 모방한 로봇을 개발했습니다.
또 다른 연구팀은 뱀에게서 영감을 얻었습니다. 복잡하고 험난한 지형을 통과할 수 있는 특성 덕분에 이러한 로봇은 우주 탐사에 유용할 수 있습니다.
플레우로봇과 스네이크봇: 복잡한 움직임을 가능하게 만든 로보틱스
플레우로봇은 도롱뇽의 움직임에서 영감을 얻었습니다. 물속과 물밖을 미끄러지듯 이동하도록 돕는 독특한 척추를 가지고 있으며, 11개의 척추 구간으로 구성됩니다. 시각적으로는 인간 척수의 작동 방식과 뇌와의 상호작용을 재자극하는 것을 목표로 개발되었습니다.
도롱뇽의 움직임을 로봇으로 모방한 것은 중요한 돌파구였습니다. 도롱뇽은 같은 움직임으로 기어다니기, 걷기, 수영을 전환하며 속도만 조절합니다. 이러한 혁신은 기계와 로봇에 적용될 때 변혁적이고 혁명적인 효과를 가져올 수 있습니다.
반면 스네이크봇은 카네기 멜론 대학 연구진이 고안한 것입니다. 그들은 뱀의 움직임을 모방해 험난한 지형, 잔해, 장애물을 통과하도록 설계된 로봇을 개발하고자 했습니다. 이 로봇은 길이 37인치, 직경 2인치이며 16개의 관절을 가지고 있습니다. 최근 보고에 따르면 NASA는 이러한 로봇을 우주 탐사 프로젝트에 배치했습니다.
이러한 개발과 그 외 다수의 사례를 통해, 자연에서 영감을 얻는 로봇, 즉 생물 모방 로보틱스는 크게 성장했습니다. 세계에서 가장 존경받는 공학 교육 기관 중 하나인 매사추세츠 공과대학교(MIT)는 기계공학 학과에서 생물 모방 로보틱스 과정을 제공하고 있습니다.
이 과정은 “생물 모방 설계에 대한 학제간 접근을 장려하며, 로보틱스, 보철, 인간 보조 기술 등 다양한 로봇 연구 분야에 적용 가능한 원리 추출에 중점을 둔다”고 목표합니다.
주요 기관뿐만 아니라 대규모 기술 기업들도 생물 모방 로보틱스에 큰 열의를 보이고 있습니다. 예를 들어, 2021년 현대자동차가 11억 달러에 인수한 Boston Dynamics는 개를 모방해 다양한 어려운 작업을 수행하는 로봇을 개발했으며, 이 네 발 로봇은 Spot이라는 이름을 가졌습니다.
1. Boston Dynamics의 Spot: 개를 모방한 네 발 로봇
Boston Dynamics가 개발한 Spot은 머리 없는 노란 개와 같이 설계되어 언덕을 오르고 계단을 탐색할 수 있습니다. 이 장치는 74,500달러에 판매되었습니다. 공장, 건설 현장, 위험 환경을 검사하는 등 다양한 용도로 활용되며, 계단을 오르고 탐색할 수 있습니다.
Spot은 이제 24시간 연중무휴로 작동할 수 있으며, 개입 없이 스스로 충전하고 새로운 장애물을 동적으로 재계획합니다. 공식 통계에 따르면 Spot 로봇은 현재까지 1,000명 이상의 고객에게 제공되었습니다.
Spot은 제조, 에너지·자원, 건설, 학계·교육, 정부 등 다양한 산업에 서비스를 제공합니다.
현대자동차가 Boston Dynamics 인수를 완료한 후, 회사의 80% 지분을 보유하게 되었습니다. 소프트뱅크는 계열사를 통해 나머지 20%를 통제하고 있습니다.
현대자동차는 2023년 3월 21일에 2022년 통합 재무제표를 발표했습니다. 2022년 회사는 6,126,969백만 원을 벌어들였으며, 이는 2021년 3,782,498백만 원에 비해 크게 증가한 수치입니다. 2022년에 지급된 배당금은 7,207백만 원이었습니다.
2. ABB의 SevenSense 인수: 자연 영감 로봇 개발의 돌파구
ABB, 또 다른 글로벌 로봇 기업은 최근 산업용 로봇의 이동성을 향상시키는 스위스 스타트업 SevenSense를 인수했습니다. SevenSense는 센서와 AI 기반 로봇 시스템을 개발·제조하며, 눈과 뇌 기능을 갖추어 공장 전체를 자유롭게 이동할 수 있도록 합니다.
이 솔루션은 일반적으로 고정된 자기 스트립을 활용하는 기존 생산 라인에만 국한되지 않을 것입니다. 이 로봇은 1.5미터/초의 속도로 2톤의 물자를 이동시킬 수 있으며, 6개의 카메라를 탑재하고 있습니다. ABB 로봇 및 디스크리트 자동화 담당 책임자인 Sami Atiya에 따르면:
“이전 시스템에서는 100미터 길이의 생산 라인을 변경하거나 새로운 생산 셀을 추가해야 할 때 로봇을 우회시키는 것이 불가능했습니다. 이제는 이를 쉽게 할 수 있습니다.”
최근 공개된 재무 보고서에 따르면, ABB는 2022년에 연간 매출 294억 달러를 기록했으며, 2021년의 289억 달러와 비교됩니다.
3. Yamaha의 인간 라이더 영감 Motobot
바다 동물이나 네 발 친구들뿐만 아니라, 로봇은 인간에게서도 영감을 얻습니다. Yamaha의 독특한 프로젝트인 Motobot은 차량을 자율적으로 운행할 수 있는 이상적인 인간형 로봇을 만드는 것을 목표로 합니다. Motobot은 차량 속도, 엔진 RPM, 기계 자세 등 데이터를 활용해 차량을 자율적으로 운행할 수 있습니다.
Yamaha는 Motobot에 고정밀 GPS와 센서 등을 추가해 기계 위치 인식 능력을 부여하고, 레이스 트랙에서 최적의 라인을 선택하고 오토바이 성능 한계를 고려해 보다 신중하게 판단하도록 할 계획입니다.
Motobot 개발을 위해 Yamaha는 세계적인 연구기관인 SRI International과 협력했습니다. 목표는 로봇 제어 및 인간-기계 인터페이스와 같은 MOTOBOT 개발에 적용되는 핵심 기술에서 영감과 지식을 얻는 것입니다.
(TYO: )
FY 2022에 대한 최신 연간 보고서에 따르면, Yamaha는 연간 매출 4,080억 엔 이상을 기록했으며, 핵심 영업 이익은 430억 엔이었습니다.
끝없는 개발 목록
우리의 제한된 시간 안에 로보틱스가 자연으로부터 큰 영감을 받은 여러 혁신 사례를 논의할 수 있지만, 기존 연구 논문들을 조사해 보면 이는 빙산의 일각에 불과합니다. 연구·개발·응용 분야로서 로보틱스는 자연으로부터 크게 영감을 받아 왔으며 앞으로도 계속될 것입니다.
예를 들어 로봇 드론은 새에게서 크게 영감을 받았습니다. 비행 메커니즘뿐 아니라 악천후와 강풍에서도 효율적으로 비행하도록 새가 영감을 제공합니다.
잠수하는 새들은 런던 임페리얼 컬리지의 Aerial Robotics Laboratory에서 Aquatic Micro Air Vehicle(AquaMAV)를 만들게 했습니다. 이 AquaMAV는 고속으로 물에 잠수하고 다시 떠오르며, 제트를 통해 물을 배출합니다. 이러한 솔루션은 수중 샘플 수집, 구조 임무 수행, 수중 탐사 등 다양한 분야에 활용됩니다.
나비는 마이크로봇에 특수한 날개 구조를 영감시켜 더 멀리 비행하고 사고를 방지하도록 돕습니다.
Boston Dynamics는 앞서 언급한 기업 중 하나로, Atlas라는 또 다른 로봇을 보유하고 있으며, 이는 지능형 이족 보행 인간형 로봇입니다.
Jessiko는 지느러미를 이용해 물속을 이동하는 수중 로봇입니다. DelFly Micro는 3.07그램 무게의 퍼덕이는 날개 로봇으로, 이름에서 알 수 있듯 파리에서 영감을 받았습니다. 또한 거북이에서 영감을 받은 3D 프린팅 네 발 연성 로봇도 등장했습니다.
자연에는 수백만 종의 동물과 곤충이 존재합니다. 이들의 진화적 능력은 놀라운 행동을 가능하게 합니다. 인간도 예외는 아닙니다. 이러한 몸의 작동 방식을 배우면 로봇에 많은 기회를 열어줄 것입니다.
위험한 장소에 인간이 직접 가야 하는 많은 작업을 이러한 로봇이 수행할 수 있습니다. 로봇은 이러한 작업을 더 빠르고 효율적으로, 정교하고 정확하게 수행할 수 있습니다. 이는 인간 뇌가 가장 잘하는, 즉 아이디어를 창출하고 새로운 것을 만들어 문명을 앞으로 나아가게 하는 데 더 많은 시간을 할애하도록 도와줍니다.
