'젊은 로봇공학자(Young Robot Engineer)' 코너는 한국로봇학회와 로봇신문이 공동으로 기획한 시리즈물로 미래 한국 로봇산업을 이끌어 갈 젊은 로봇 공학자를 발굴해 소개하는데 있다.

28번째 인터뷰는 서울과기대 정광필 교수다. 정 교수는 1988년생으로 경남과학고를 거쳐 한국과학기술원(KAIST)에서 학사, 서울대 기계항공공학부에서 박사학위를 받았다. 2015년 UC 버클리 방문연구원, 2016년 서울대 정밀기계설계공동연구소 선임연구원을 거쳐 2017년 3월 부터 서울과학기술대학교 기계자동차공학과 조교수로 근무하고 있다.

2013년 삼성 휴먼테크 논문대상 장려상, 2014년 한국정밀공학회 춘계학술대회 최우수상, 2015년 대한기계학회 바이오공학부문 우수 논문상, 2016년 서울대학교 정밀기계설계 공동연구소 신진연구자상, 2017년 Living Machines 2017 최우수 포스터상, 2018년 서울과학기술대학교 우수 교육상 등 많은 수상 경력을 가지고 있다. 2018년에는 서울대와 공동으로 연구한 '드론을 위한 접을 수 있는 초경량 로봇 팔'이 올해의 10대 기계기술에 선정되었다. 2018ㆍ2019 한국로봇종합학술대회 조직위원, IROS 2018ㆍ2019 부편집장(Associate Editor), ICRA 2019 부편집장, 로보소프트 2019 조직위원 등 학술활동도 활발히 하고 있다. 주요 관심분야는 생체모방 로봇, 소프트 로봇 분야이다.

▲서울과학기술대 정광필 교수

Q. 서울과기대 Bio-Inspired Design Lab에 대한 간략한 소개 부탁 드립니다.

서울과기대 생체모사 디자인 실험실에서는 밀리 스케일 로봇 시스템에 관한 연구를 수행합니다. 특히, 밀리 스케일에서의 익스트림 모션을 구현하는 데에 관심이 있습니다. 이러한 연구를 수행하기 위해 주로 곤충, 파충류, 소형의 동물 등 자연에 존재하는 작은 생명체들을 유심히 관찰합니다. 이렇게 얻은 힌트를 공학적 관점에서 재해석하여 새로운 기계 시스템을 설계하고자 노력합니다.

▲ 생체모사 디자인 실험실 학생들과 2019 한국로봇종학학술대회에서

Q. 최근 여러개의 정부과제를 하고 계신 것으로 알고 있습니다. 어떤 연구인지 소개 부탁드립니다.

최근에는 주로 두 가지 연구에 집중하고 있습니다. 첫째는 양면 주행이 가능한 소형 크롤링 로봇입니다. 박사학위 때 수행한 연구에서는 자세를 회복하기 위해 능동형 날개를 사용하여 몸체를 뒤집을 수 있도록 하였습니다. 한 단계 나아가, 뒤집혀도 계속 주행할 수 있으면 어떨까를 고민하다가 만들게 되었습니다. 이 연구에서의 가장 어려운 점은 몸체를 얇게 만드는 것이었습니다. 크롤링 로봇은 크게 세 가지 조건을 만족해야 합니다. 다리가 교차적으로 움직이고, 다리의 모션이 한쪽으로 치우지지 않으며, 다리의 궤적이 타원에 가까워야 합니다. 이러한 조건들이 잘 충족된다면 어떤 설계가 되었든 성공적인 크롤링을 할 수 있습니다. 이 로봇에서는 다리의 모션이 한쪽으로 치우치지 않게 하는 디퍼렌셜 드라이브를 얇게 만드는 것이 가장 난제였습니다. 저는 이것을 4절 링크를 수직으로 배열해 문제를 해결하였습니다. 수직 배열된 4절 링크가 구동기와 모션전달 링크를 기구적으로 커플링을 시켜주어, 항상 같은 모션이 모든 다리로 전달됩니다. 이러한 방법으로 몸체의 두께를 15mm까지 줄일 수 있었기에, 컴팩트한 디자인 구현이 가능하였습니다.

▲ 양면 주행이 가능한 로봇, MutBug, 2019

두 번째 연구는 연속도약이 가능한 소형 호핑 로봇입니다. UC Berkeley의 살토(Salto) 로봇이 매우 유명한데, 성능을 따라잡기 쉽지 않겠지만 조금 다른 방법을 사용하여 접근해보려고 합니다. 최근 Salto의 핵심 동작 방식인 파워 모듈레이션(power modlulation)을 모방한 연구들이 곳곳에서 나오고 있습니다. 아주 영리하고 훌륭한 방법이라고 생각합니다. 저는 에너지 사전 저장 방식이라는 방법을 통해 비슷한 모션을 구현해보려고 합니다. 어느 정도 결과가 나오면 소개할 기회가 있지 않을까 생각합니다.

Q. 서울대 기계항공공학부에서 박사학위를 받으셨는데 박사 학위 논문제목이 무엇이고 어떤 내용인지 간단한 소개 부탁 드립니다.

서울대 바이오로보틱스 실험실의 조규진 교수님 지도하에 ‘복합거동 로봇을 위한 궤적제어가 가능한 소형 도약 메커니즘’을 주제로 박사학위를 받았습니다. BK21 프로그램의 해외 연수 지원을 통해 UC Berkeley의 론 피어링(Ron Fearing) 교수님 그룹과 공동연구로 시작되었습니다. 그 당시에 생체모사 로봇들은 주로 단일 로코모션에 관한 연구들이 많았습니다. 단일 로코모션의 모빌리티를 보다 향상시키기 위해, 두 분께서 복합거동을 제안하셨고 그 결과로 주행, 도약 그리고 자세회복이 가능한 점프로치(JumpRoACH)라는 복합거동 로봇을 개발하였습니다.

▲ 주행, 도약, 자세회복이 가능한 복합거동로봇, JumpRoACH

Q. 주요 관심분야 분야가 생체모방 로봇, 소프트 로봇으로 알고 있습니다. 생체모방 로봇이나 소프트 로봇 관련하여 최신 기술적인 동향이 있다면 어떤 것이 있을까요?

최근 소형 생체모사 로봇들은 단일 거동에서 복합 거동으로 넘어가는 추세입니다. 로봇의 크기가 절대적으로 작기 때문에, 모빌리티 향상을 위해서 이러한 방향으로 흘러가는 것으로 보입니다. 또한, 실제 활용 가능성을 높이는 방향으로 진행되고 있습니다. 이전에는 개념 제시 정도로도 주목을 받았다면, 현재는 성능과 적용 가능성까지도 겸비해야 좋은 평가를 받고 있습니다. 아무래도 분야가 점차 성숙단계로 접어들고 있어서, 기대하는 바도 커지고 있지 않나 생각됩니다.

Q. 세계적으로나 국내에서도 생체모방 로봇이나 소프트 로봇을 연구하는 분들이 최근 많이 늘어나고 있습니다. 왜 이러한 소프트 로봇들이 중요한지요?

저는 생체모사 로봇, 소프트 로봇이 기존의 로봇을 대체할 것이라고 생각하지는 않습니다. 단지, 기존의 로봇이 해결하기 애매하거나 부족한 부분들을 메워주는 역할을 하지 않을까 생각합니다. 최근에 소개된 두부를 잡는 그리퍼, 의복형 로봇 등을 보면 분명히 필요한 곳이 있고, 중요한 역할을 할수 있을 것이라 생각합니다.

Q. 2017년 2월부터 2019년 2월까지 과기부 과제로 에너지 효율적 방향제어가 가능한 험지탐사용 소형 도약로봇 개발 연구를 하셨는데 어떤 과제인지 간단한 소개와 연구 결과가 있다면 소개 부탁 드립니다.

이 과제는 서울과기대 임용 후, 연구재단의 생애 첫 연구로 지원을 받아 수행한 연구입니다. 거품벌레의 효율적인 방향전환 메커니즘을 모사한 것으로 2016년에 처음으로 아이디어를 냈었습니다. 기존의 도약 로봇들은 방향 전환을 위해 다양한 부가장치를 사용하였는데, 부가장치의 무게로 인해 도약성능이 현저하게 저하되는 문제가 있었습니다. 도약 성능을 해치치 않고, 방향전환을 가능케 하는 방법을 모색하던 중, 거품벌레에 관한 논문을 접했습니다. 흥미롭게도 거품벌레는 오히려 다리를 대칭으로 하나 더 붙여, 불필요한 회전도 줄이고, 방향 전환도 하는 일석이조의 방법을 사용하고 있었습니다. 대칭으로 배치된 다리가 서로의 모멘트를 상쇄시켜 정방향으로 도약을 하게 됩니다. 이러한 아이디어로 4절 링크 기반의 새로운 메커니즘을 제작하였고, 현재 후속으로 결과를 정리하는 중에 있습니다.

▲ 거품벌레를 모사한 방향전환 메커니즘, 2016

Q. 박사 학위 후 1년 정도 서울대 정밀기계설계공동연구소에서 선임 연구원으로 계셨는데 주로 무슨 연구를 하셨나요?

박사 학위 후 1년간 서울대 정밀기계설계공동연구소에 있으면서 그간 진행했던 도약 로봇 관련 연구들을 마무리하고 정리하는 작업을 진행하였습니다. 도약 시 유연다리가 미치는 영향에 관한 연구인데요, 이 연구는 대벌레에 관한 논문을 읽고 시작하였습니다. 대벌레는 길고 얇은 다리를 가진 메뚜기만한 곤충입니다. 도약 시에 이 얇은 다리가 휘어지는데, 재미있는 점은 다리가 다 펴지기 전에 즉, 휘어진 상태에서 도약이 일어납니다. 곤충학 논문에서는 이러한 사실을 기술하였고, 소형 도약 로봇을 통해 분석해보면 왜 그런지 이해할 수 있을 것으로 생각하였습니다. 그래서 다리의 강성을 바꾸어 가며 실험, 모델링 및 에너지 분석을 진행하였고, 도약 속도를 최대화하는 적절한 강성이 존재함을 알게 된 연구입니다.

▲ 유연 다리가 도약에 미치는 영향, 2017

Q. 로봇을 하시게 된 동기가 있다면?

중고등학생 때 물리2를 접하면서 시작된 것 같습니다. 아마도 로봇 하드웨어 쪽 분들이 다 비슷하실 것 같은데, 역학 파트에 흥미가 많았습니다. 그러다보니 자연스럽게 기계공학과로 진학하게 되었고, 동역학, 메카트로닉스, 로봇공학 강좌들을 수강하면서 로봇 관련 실험실까지 흘러가게 되었습니다.

Q. 연구를 하면서 가장 어려운 부분은 무엇인지요?

저희는 연구를 시작할 때, 힌트가 될 만한 곤충, 파충류, 작은 동물과 관련된 영상 자료, 학술 논문들을 많이 찾아봅니다. 이러한 과정에서 재미있고 도전적인 모션들을 찾게 되는데, 가장 어려운 부분은 기계공학적 재해석 부분입니다. 실제 생명체는 매우 뛰어난 특정 성능을 보이는데, 이것을 그대로 따라하는 것은 거의 불가능에 가깝습니다. 따라서 핵심이 되는 부분을 잘 캐치하고, 새로은 컵셉 제시를 통해 비슷한 성능을 내도록 만들어야 합니다. 이 과정에 대부분의 시간을 쏟고 있습니다.

Q. 아직 많이 젊으신데 연구자로서 앞으로의 꿈과 목표가 있다면?

밀리 스케일에서의 새로운 익스트림한 모션들을 계속해서 제안하고 싶습니다. 그리고 언젠가는 저희가 제안한 컨셉이 응용 분야를 잘 만나 어딘가에서 도움이 되기를 희망합니다. 사실 연구 시작단계부터 목적을 정해두고 출발하진 않습니다. 하지만, 이런 과정에서 개발된 요소기술들이 적절하게 쓰일 수 있는 기회가 있을 것이라 생각합니다. 예를 들면, 도약 로봇에 쓰인 에너지 저장 기술이 소형의 고출력 구동기의 형태로 쓰일 수 있지 않을까 생각합니다. 무던하게 한 분야를 파다보면 실제에 기여할 때가 올 것이라 믿습니다.

Q. 로봇공학을 연구하려는 학생들이 늘어나고 있습니다. 그러기 위해서는 어떤 준비와 노력이 필요한지 후배들에게 조언을 해주신다면?

로봇 공학은 어렵지 않다는 마인드로 접근하면 어떨까 합니다. 최근에 워낙 쉽게 접근할 수 있는 툴들이 잘 나와 있습니다. 3D 프린터도 곳곳에 있고, 온쉐이프 같은 웹 기반 무료 설계 툴이 제공되고, 프로그래밍 역시 시작은 아두이노를 활용하면 됩니다. 이러한 상용 툴들을 잘 사용해서, 먼저 뭔가를 하나 만들어 보시길 권합니다. 실제로 구현해보면서 관련지식을 그때그때 찾아보고 공부하다보면 어느새 실력이 많이 쌓여 있을 것입니다. 이러한 실무 기본기를 바탕으로 전공과목을 수강하시면 이해도의 차원이 다를 것이라 생각합니다.

Q. 국내 로봇산업이 한단계 더 발전하기 위해 조언을 해 주신다면...

제가 산업계 경험이 없어서 감히 조언을 드릴 입장은 아닌 것 같습니다. 다만, 연구를 하면서 다양한 액추에이터가 상용화되면 좋겠다는 생각을 많이 합니다. 로봇의 스케일이 작아지게 되면, 선택 가능한 상용 액추에이터는 거의 없다시피 합니다. 모터의 경우 반경이 감소함에 따라 토크가 매우 약해져 활용하기가 쉽지 않습니다. 그나마 사용 가능한 SMA, DEA 등도 아직 연구 개발의 여지가 많은 것으로 알고 있습니다. 액추에이터 다양화 및 성숙화 부분에서 혁신이 일어난다면, 더욱 다양한 모션을 구현해볼 수 있을 것 같습니다.

▲ 조규진 교수님, Ron Fearing 교수님과. IROS 2017, Vancouver, Canada

Q. 연구에 주로 영향을 받은 교수님이나 연구자가 계시다면...

지도교수이신 서울대 조규진 교수님께 연구의 틀을 잡고, 스토리를 만들고, 의미를 되새기는 법을 배웠습니다. 교수님께서는 항상 저희가 만든 로봇이 어떤 의미를 가지는지 깊이 생각해보기를 권하셨습니다. 이런 습관은 연구뿐 만 아니라 어떤 문제를 접했을 때, 핵심과 근본에 다가가도록 도와줍니다.

UC Berkelely에서 짧은 기간이었지만 Ron Fearing 교수님께 연구의 디테일을 배웠습니다. 개인별로 주간 미팅을 꼭 하셨었는데, 연구초기 단계에서도 항상 구체적인 숫자를 가지고 오라하셨습니다. 제가 하는 생각이 실현 가능한지 따져보라는 말씀이셨고, 저도 동일하게 학생들을 지도하고 있습니다.