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

53번째 인터뷰는 한국과학기술연구원(KIST) 헬스케어로봇연구단 김승원 박사다. 김 박사는 1986년생으로 서울대 기계항공공학과를 거쳐 동 대학원에서 2016년 2월 박사학위를 받았다. 졸업 후 서울대 정밀기계설계공동연구소 연구원을 거쳐 2016년부터 KIST 연구원으로 근무하고 있다. 2020년에는 1년간 카네기멜론대 기계공학과 소프트머신 랩에서 객원연구원으로 있었고 귀국 후 현재까지 KIST 헬스케어로봇연구단 선임연구원, UST 과학기술연합대학원대학교 KIST 스쿨에서 AI-로봇 전공학과 부교수로 재직중이다.

주요 관심 분야는 소프트 로봇, 헬스케어 서비스 로봇 및 의료로봇 분야다. 2010년 IEEE/RSJ,EMBS BIOROB 최우수학생논문상, 2010년 한국정밀공학회 춘계학술대회 로봇 자동화 최우수논문상, 2012년 ISGMA(친환경 제조 및 어플리케이션 국제 심포지움) 최우수 포스터상, 2013년 한국복합재료학회 추계학술대회 최우수논문상, 2015년 ISGMA 우수발표자상 등을 수상했다.

Q. KIST 헬스케어로봇연구단 선임연구원으로 재직하고 계신데 최근 진행하고 계신 연구가 있다면 소개 부탁드립니다.

▲KIST 김승원 박사

KIST 헬스케어로봇연구단(https://www.medibot.kist.re.kr/)은 대한민국이 초고령사회로 진입하며 경제 수준의 향상으로 건강한 삶에 대한 욕구가 커지는 가운데 이러한 욕구를 충족시키고자 인공지능(AI), 가상/증강현실(3D/AR/VR/메타), 로봇 기술(Soft robot, Microsurgery robot, Cobot) 등의 첨단 기술들을 바탕으로 효율적이고 안전한 디지털 의료 솔루션을 개발하고 있습니다. 이 연구단에서 제가 중점을 둔 연구 분야는 소프트 로봇이며, 이를 적용할 활용 분야는 소프트 웨어러블 로봇과 스마트 액추에이터 및 센서입니다.

▲ 노약자의 기립·착석·보행 보조기기 시연

▲ 환자의 자세를 바꾸며 침대와 휠체어로 운반하는 것을 보조해 주는 간호간병 보조로봇

▲ 가상현실에서 만지는 대상의 온도를 손에서 느낄 수 있게 해주는 가상현실용 열감 햅틱 장갑의 시연 모습

최근에는 2021년부터 시작한 세 가지 과제에 집중하고 있습니다. 먼저 KIST 출연금 사업과제로 의료진의 작업 과정에서 발생하는 근골격계 질환을 줄일 수 있는 의료작업 보조용 웨어러블 기기를 개발하고 있으며, 한국연구재단 우수신진 과제로 내시경과 같은 연속체 구조의 강성을 작업 환경에 따라 넓은 강성 범위를 빠르게 조절할 수 있는 열전소자와 열가소성수지를 활용한 가변강성 메커니즘에 관한 연구를 수행하고 있습니다. 또 민군진흥원에서 지원하는 민군기술이전사업 과제로 하지 근력 보조용 웨어러블 로봇의 착용성을 향상시키기 위해 사용자가 착용하는 과정에서는 유연한 상태이고, 착용을 마친 후에는 로봇과 신체가 일체형으로 고정되어 동력 전달에 손실을 줄이도록 단단한 상태가 될 수 있는 스마트 스트랩에 관한 연구를 수행하고 있습니다.

▲ 가변강성 내시경 메커니즘 개념도와 열전달 수치해석 결과

Q. 서울대에서 “Bend Propagating Actuation Utilizing a Characteristic of Developable Surface of Bistable Structure(쌍안정 구조의 가전면 특성을 이용한 굽힘 전파 구동)”으로 박사 학위를 받으셨는데 어떤 내용인지 소개 부탁 드립니다.

이 논문은 찰스 다윈이 “세계에서 가장 놀라운 식물”이라고 표현한 식충식물 파리지옥이 근육이 없는 잎으로 파리와 같이 날렵한 곤충을 순식간에 포획할 수 있는 고속의 모핑(morphing) 동작에 주목하였습니다.

▲ 파리지옥 로봇의 고속 모핑 동작

논문에서는 파리지옥 잎을 모사하여 쌍안정(bistable) 구조를 갖도록 잔류응력을 가진 복합재와 금속 쉘 구조를 이용하고, 이 구조가 가진 가전면(developable surface)의 특성 중 가우시안 곡률이 0이어야 하는 점에서 착안하여 만든 굽힘 전파 구동으로 효율적인 모핑 동작의 생성 방법과 구조의 기하 형상에 따른 모핑 동작의 특징, 그리고 모핑 동작의 활용처로 모핑 디스플레이 개발에 관한 것을 연구했습니다.

▲ 굽힘 전파 구동으로 생성되는 쌍안정 구조의 모핑 과정 ▲ 모핑 디스플레이 개념 구현용 프로토타입의 동작 모습

이 논문의 핵심은 쉘 구조의 동역학적인 고속 모핑 동작을 기존의 방식대로 구동기와 제어 시스템에만 의존하지 않고, 정역학적인 구조의 특성과 이 특성을 일시적으로 활성화하기 위한 단순한 구동기만을 활용하여 고속 모핑 동작을 생성한다는 것이며, 이것은 현재 소프트 로봇공학에서 주목하고 있는 체화 지능(physically embodied intelligence : 소재의 물성과 구조의 설계 형상(morphology)을 기반으로 외부 환경에 대응하도록 의도하는 동작과 자세를 중앙 제어 시스템을 거치지 않고 생성 및 제어하는 방식)이란 개념을 구현한 대표적인 사례입니다. 이러한 개념을 생체모방 로봇으로 파리지옥 모사 로봇의 1차 프로토타입에 적용하여 처음 소개하게 된 2010년 IEEE/EMB BIOROB 학회에서 그 연구결과 가치를 인정받아 최우수 학생논문상을 받게 되었습니다.

▲ IEEE/EMB BIOROB 2010 학회에서 파리지옥로봇 연구결과로 최우수 학생논문상을 받고서.

Q. 박사님의 주요 관심 분야가 소프트 로봇, 헬스케어 서비스 로봇 및 의료로봇 분야로 알고 있습니다. 소프트 로봇 분야의 최신 동향이나 특이사항이 있다면 무엇인지 궁금합니다.

최근에 소프트 로봇 분야에서 요구하는 것은 부드러움과 단단함의 공존입니다. 소프트 로봇은 소재의 물성과 구조 설계를 기반으로 하여 부드러움을 구현하였지만, 이로 인해 강체 기반 로봇보다 힘을 지지할 수 있는 부분이 적어서 효과적인 동력 전달이 이뤄지지 않는 문제가 있습니다. 이 때문에 다시 강체 요소를 소프트 로봇에 하이브리드 형식으로 조합해서 사용하지만, 이 경우에는 전체 시스템 측면에서 소프트 로봇에서 구현한 부드러움과 유연함에 대한 장점이 줄어들게 됩니다.

이를 해결하기 위해 소프트 로봇공학 분야에서는 구조 또는 소재 자체에 다양한 에너지원(열, 진동, 빛, pH)을 이용하는 외부 자극을 인가하여 물리적인 강성이나 변위를 조절하는 연구가 활발히 진행되고 있습니다.

먼저 구동기 측면에서 변위 생성에 초점을 맞춘 것이 있습니다. 기존의 강체 기반 구동기인 모터와 압전 소자와는 달리 구동기 자체가 실리콘 폴리머 등의 부드러운 소재들로 만들고 전기 자극 등으로 움직임을 생성하는 소프트 구동기를 개발하고자 하며, 대표적인 예로는 유전탄성체 구동기(DEA: Dielectric elastomeric actuator)가 있습니다. 최근에는 Meta(구 Facebook)의 리얼리티랩은 메타버스 환경을 지원하는 웨어러블 기기가 물리적인 자극을 사용자에게 줄 수 있으면서 옷과 같은 착용감을 저해하지 않는 초소형 소프트 구동기를 개발하고자 미국 하버드 대학을 중심으로 햅틱용 DEA 개발을 지원한 바가 있습니다.

다음으로 특정 동작 조건에서 강성의 조절이 가능한 가변강성 메커니즘에 관한 연구입니다. 의료용 내시경 또는 카테터를 사용하는 경우, 큰 굴곡이 있는 경로를 지날 때는 구조가 유연하면서, 진입 경로의 확보 또는 표적 조직을 제거하기 위해서는 구조가 단단해질 필요가 있습니다. 이를 위해 의료용 가변강성 메커니즘이 연구되고 있으며, 최근에는 스위스 ETH에서 형상기억폴리머 기반의 가변강성 로봇 카테터를 개발한 바가 있습니다.

Q. 소프트 로봇을 이용해 헬스케어 및 의료로봇 분야에 접목을 시도하고 계신데 이러한 분야에서 소프트 로봇이 어떻게 활용 가능한지 설명해 주시면 감사하겠습니다.

소프트 로봇공학 기술은 소프트, 즉 부드러움과 유연함을 활용하는 로봇기술이며, 이를 필요로 하여 많이 적용되는 분야가 인체와 밀접한 의료 분야와 웨어러블 분야입니다. 의료 분야는 로봇과 기기가 다뤄야 할 대상이 복잡한 구조의 생체조직으로 이뤄진 인체이기 때문에 인체에 끼칠 수 있는 피해를 최소화하고 효과적으로 의료 목표 지점에 도달하기 위해 소프트 로봇공학 기술이 필요합니다. 이를 위해 소프트로봇 분야에서는 복잡한 경로를 단순한 구조와 동작 메커니즘으로 이동할 수 있는 바인(vine) 로봇이 개발되어 의료용으로의 적용 가능성을 살피고 있고, 앞서 소개한 바와 같이 의료 환경에서 적절한 강성이 조절 가능한 가변강성 메커니즘이 적용될 수 있습니다.

▲ 열전소자와 저온융점금속을 이용한 가변강성 구조(https://doi.org/10.1089/soro.2020.0080)

웨어러블 분야에서는 사람이 착용하는 플랫폼으로서 부드러운 옷이 가장 익숙하고 편한 것이기에, 이러한 기대치를 만족하기 위해 웨어러블 분야에 사용되는 구동기와 센서에도 소프트 로봇공학 기술이 필요합니다. 특히 기존의 전자회로가 유연성까지 확보되었으나 신축성이 부족하여 웨어러블에 적용하는 데 한계가 있었는데, 액체금속을 활용한 신축성 변위/압력센서에 관한 연구가 활발히 이뤄지며 의복 형태의 스마트 웨어러블 기기와 로봇의 개발이 가능해지고 있습니다.

Q. 로봇을 연구하시면서 가장 어려운 점은 무엇입니까?

로봇은 기계공학, 전기전자공학, 컴퓨터공학, 재료공학, 인간공학 등 다양한 분야가 융합된 시스템입니다. 이러한 융합 시스템적인 특성 때문에 하나의 전공 분야에서 교육된 상태만으로는 다른 분야에 대한 이해도가 낮아 로봇 시스템을 개발하는 것에 한계를 느끼곤 합니다. 따라서 이러한 부분을 극복하기 위해서는 전공 분야를 깊게 파고드는 한편 다른 분야에 대해서도 소통하고 협업할 수 있도록 얕고 넓게 알아둘 필요가 있어 다양한 분야에 걸쳐 끊임없이 배워야 하는 점이 어려운 점이라고 볼 수 있습니다.

Q. 로봇을 연구하시게 된 동기가 있다면?

학창시절 동물의 왕국을 즐겨 보며 자연 속 생명체들의 신비로운 모습들에 많은 관심을 가졌습니다. 그래서 이를 공학적으로 구현하는 것에 관심을 가지고서 생체모사 로봇과 소프트 로봇을 주제로 대학원에서 연구하게 되었습니다.

Q. 2016년 2월 박사 학위 취득 후 2020년 1년간 미국 카네기멜로대에서 방문 연구원으로 계셨는데 당시 주로 어떤 연구를 하셨나요?

KIST에서는 국내 박사 졸업자인 연구자에게 1년의 해외 연수를 다녀올 기회를 제공합니다. 저는 이 연수 기간에 가변강성 내시경 메커니즘에 적용할 유연열전소자를 제작하는데 필요한 유연/신축 전자회로 구조의 핵심 기술을 배우기 위해서 인듐-갈륨 합금(EGaIn)과 같은 액체금속 기반의 소프트 센서 및 액추에이터 연구에 강점을 가지는 카네기멜론대 기계공학과 카멜 마지디(Carmel Majidi) 교수의 소프트 머신 연구실에 객원 연구원으로 있었습니다. 카멜 교수와는 지난 2018년 소프트 로보틱스에 대한 주제로 열린 아슬라 심포지엄에서 만난 뒤로 신축성 열전소자에 관한 공통 연구 주제에 대해 공유할 기회가 있어 이번 연수 기회에 연락을 취해 방문하게 된 것입니다. 비록 2020년 중 절반의 기간에 미국은 COVID-19 전염병으로 인해 원활한 연구의 수행이 어려웠지만, 저는 이 연구실에서 갈륨 등의 저온융점 금속과 열가소성수지 같은 플라스틱을 기반으로 하여 온도에 따라 구조의 강성을 조절할 수 있는 메커니즘을 개발하고자 다양한 소재의 제조 및 특성 분석, 그리고 수치해석 시뮬레이션을 수행하였습니다. 그리고 이 연구실에서 수행하고 정리한 사전 연구결과를 바탕으로 다음 해에 한국연구재단의 우수신진연구 과제에 선정되었습니다.

▲ 2018년 아슬라 심포지엄 회의를 마친 뒤 모습. 좌측부터 카네기멜론대학교 카멜 마지디 교수님, 아주대학교 고제성 교수님, 본인, 그리고 서울대학교 박용래 교수님.

Q. 로봇 연구자로서 앞으로의 꿈과 목표가 있다면?

저는 사람들의 기대와 상상이 반영된 공상과학(SF)영화를 보면서 감탄을 하곤 하는데요, 이러한 상상의 이미지들을 현실적인 우리들의 삶으로 가져오는 데 이바지하고 싶습니다. 최근의 히어로물 영화들을 보면 초능력보다 특수복장과 장비들을 활용하는 주인공들이 대중에게 더 친숙하고 인기가 있는 것을 보며, 신체 능력을 보조하고 증대시키고, 더 나아가 인간이 갖지 못한 능력도 제공할 수 있는 소프트 로봇 기술을 개발하고 싶습니다. 특히 2017년 미국 삼성 리서치 센터에서 열린 인간증강학회(Human Augmentation Conference)에 참석했을 때 들은 강연을 듣고 소프트 로봇공학이 다양한 부분에서 인간증강기술에 쓰일 수 있을 것이란 가능성을 확인하고서 이러한 꿈을 실현하려고 하는데 큰 동기부여가 되었습니다.

▲ 2017년 인간증강학회에서 미국 올림픽 국가대표팀의 기술지원부서 연구자가 인간의 오감을 넘어서는 영역을 갖는 자연 생명체의 예시를 소개하는 강연

Q. 최근 로봇에 대한 관심이 늘어나면서 이를 연구하려는 학생이 늘고 있습니다. 선배로서 후배에게 어떤 준비와 노력이 필요한지 조언해 주신다면?

앞서 로봇을 연구하는 데 있어 어려운 부분을 언급하였듯이, 로봇이 여러 학문 분야의 융합 결과물이란 것을 이해하시고 다양한 학문 분야를 접하시길 권합니다. 그리고 요즘에는 로봇과 관련하여 간단한 학습용 개발 키트가 다양하게 보급되어 있어 개인이 집에서 실습해볼 수 있고, 유튜브 등을 통해서도 로봇공학과 관련한 이론과 실무 지식이 공유되고 있습니다. 그래서 로봇에 관심이 있으시다면 본인이 접근할 수 있는 범위 안에서 다양한 경험을 쌓으시길 추천을 드립니다. 참고로 소프트 로봇에 관심이 있으신 분들은 소프트 로보틱스 툴킷(https://softroboticstoolkit.com/)이라는 웹사이트에서 소프트 로봇과 관련된 다양한 로봇과 요소기술을 따라서 해 볼 수 있도록 무료로 공개된 안내 자료를 제공하니 이곳을 살펴보시는 것을 추천합니다.

Q. 연구자로서 한국 로봇산업이 한 단계 더 발전하기 위해 조언을 해 주신다면...

헬스케어 로봇과 의료 로봇을 개발하는 연구자 입장에서 이 분야로 로봇산업이 발전하는 데 필요한 점을 몇 가지 말씀드리겠습니다. 먼저 헬스케어 로봇 및 의료 로봇은 원천기술(소재, 부품, 장비 등)부터 완제품(내시경, 수술로봇, 진단기기 등)에 이르기까지 해외, 특히 미국과 유럽, 일본 등이 먼저 선점해서 우리가 추격하는 처지입니다. 하지만 이를 추격하고 선두에 서기 위한 제품을 개발하기 위해서는 우리나라에서 개발하고 시험할 수 있는 환경이 되어야 하는데, 국내는 시장 규모가 작아서 제품 개발에 필요한 부품과 인력 수급이 어렵고 이로 인해 제품의 개발 비용이 많이 들어가서 제품 단가가 높게 책정되고 이 때문에 시장성이 낮다고 보아 상용화를 접게 되는 경우가 많습니다. 또한 임상시험 평가에 필요한 인원이 적어 이를 모집하고 평가하는데 시간이 오래 걸리고, 의료기기인증 과정에 걸리는 시간이 수개월이나 소요되는 등 개발에 필요한 시간이 너무 오래 걸립니다. 이러한 문제들로 인해 산학연에서 헬스케어 로봇 및 의료 로봇 연구를 수행하지만 실제로 제품화되어 성공하는 사례가 매우 드뭅니다. 이러한 부분을 해결할 수 있도록 정부에서 과학/기술/보건정책 수립과 연구개발 지원이 이뤄지길 희망합니다.

한편 전반적인 로봇산업에 필요한 인력 양성 교육과정도 필요하다고 봅니다. 로봇이라는 학문 분야는 대체로 전통적인 공학 분야의 세부 전공 수준으로 분류되어 있어 학생들은 로봇을 구성하는 매우 일부분만을 접한 채 학교를 졸업하게 되어 현장 실무에 필요한 역량에 못 미치는 경우가 많습니다. 사회의 수요와 학문의 특성을 반영하여 로봇공학에 특화된 교육과정이 수립되길 희망합니다.

Q. 연구에 주로 영향을 받은 교수님이나 연구자가 계시다면...

제가 연구자의 길에 들어서는 데에는 서울대학교 기계항공공학부 교수님들의 지도가 컸습니다. 그중에서 생체모사라는 연구 분야를 제게 처음 소개해 주신 최해천 교수님께 4년간의 학사 지도를 받으며 진로 탐색에 조언을 얻으며, 학부 졸업논문을 쓰면서 연구에 재미를 붙일 수 있게 해 주신 점을 항상 감사하게 생각하고 있습니다. 그리고 저를 생체모방 로봇공학과 소프트 로봇공학이란 분야로 이끌어 주신 조규진 지도교수님께서 연구뿐만 아니라 연구 과제를 수주하고 연구실을 만들어 가는 과정을 경험할 수 있게 해 주신 점이 저의 연구 역량의 발전에 큰 도움이 될 수 있었습니다.

또한 2020년 카네기멜론대 방문 연수 기간에 코로나로 인해 힘든 상황임에도 저를 포함한 연구실 구성원들의 연구 측면에서 같은 눈높이로 고민과 토의를 하는 모습과 생활 안전 측면에서 세세하게 살피고 문제 상황에 솔선수범하는 모습을 보여준 카멜 마지디(Carmel Majidi) 교수님으로부터 위기에 대처하며 공동체를 온화하게 이끄는 리더십을 배울 수 있었습니다.

끝으로 이 인터뷰에 추천을 해 주신 고려대학교 차영수 교수님으로부터는 작은 아이디어에도 관심을 가지고 이를 협업하여 발전시키는 열성적인 연구 수행 능력과 세심한 학생 지도의 모습을 배울 수 있었습니다.