▲실린더를 감아쥐는 문어의 3D 시뮬레이션 모습. (사진=일리노이대)

미국 일리노이대 연구팀이 문어에서 영감을 받은 소프트 로봇 제어 모델을 개발했다고 밝혔다.

이번 연구 성과는 소프트 로봇 제어의 문을 열어 줄 것으로 기대를 모은다.

문어의 팔은 손을 뻗고, 잡고, 집어오고, 기어가고, 수영하는 것과 같은 복잡한 동작을 수행하기 위해 거의 무한한 자유도를 갖는다. 이 동물들이 어떻게 그렇게 광범위한 활동을 하는지는 미스터리, 놀라움, 영감의 원천으로 남아있다. 연구팀 도전의 일부는 내부 근육의 복잡한 조직과 생체역학에서 비롯된다.

문어에서 영감받은 로봇제어 모델 개발 과제는 어바나-샴페인 일리노이대학교의 프라샨트 메타 전기·컴퓨터공학과 교수와 마티아 가졸라 기계과학·공학과 교수가 이끄는 다학제 프로젝트에서 다뤄졌다.

왕립학회보 A(Proceedings of the Royal Society A)에 보고된 바와 같이 두 연구자와 팀은 생리적으로 정확한 문어 팔 근육 모델을 개발했다.

메타 교수는 “이는 이런 종류의 첫 번째 모델로서 생물학적 문제에 대한 통찰력을 제공할 뿐만 아니라 향후 소프트 로봇의 설계 및 제어를 위한 프레임워크를 제공한다”고 말했다.

문어 팔의 인상적인 능력은 오랫동안 소프트 로봇의 설계와 제어에 영감을 주었다. 이러한 소프트 로봇은 인간 주변에서 안전하게 작동하면서 농업에서 수술에 이르기까지 다양한 응용 분야의 구조화되지 않은 환경에서 복잡한 작업을 수행할 수 있는 잠재력을 가지고 있다.

이 연구의 주요 저자인 대학원생 장헝성은 문어의 팔과 같은 부드러운 몸의 시스템이 주요 모델링 및 제어 과제를 제시한다고 설명했다.

그는 “그들은 팔을 여러 가지 모드로 변형시키는 세 가지 주요 내부 근육 그룹인 세로, 가로, 그리고 비스듬한 근육에 의해 움직인다. 이는 문어의 팔이 헤쳐나가고, 뻗고, 구부리고, 비틀 수 있도록 해 준다. 이것은 단단한 상대와 달리 문어의 부드러운 근육질 팔을 엄청나게 자유롭게 해 준다”고 말했다.

연구팀의 핵심 통찰력은 연속체 역학 이론에서 차용한 개념인 저장된 에너지 기능을 사용해 팔 근육계를 표현하는 것이었다. 저장된 에너지를 사용해 근육을 해석하는 것은 팔의 제어 설계를 극적으로 단순화한다.

박사후 학생이자 교신 저자인 우디트 할더는 “문어 팔은 에너지 경관의 최소치에 머물고 있다. 근육 작동은 저장된 에너지 기능을 수정해 팔의 평형 위치를 이동시키고 운동을 안내한다”고 말했다.

특히 이 연구는 팔을 뻗고 쥐는 것과 같은 조작 작업을 해결하는 데 필요한 근육 활성화를 계산하기 위한 에너지형성 제어 방법론을 개략적으로 설명한다.

이 접근법을 소프트웨어 환경인 일래스티카(Elastica)에서 수치로 시연했을 때, 즉 사이버 문어 모델을 3차원으로 시뮬레이션했을 때 놀라울 정도로 실제와 같은 움직임으로 이어졌다.

게다가 할더는 “우리의 연구는 기계 학습을 포함한 대안적인 접근법에서 종종 부족한 성능을 수학적으로 보장한다”고 말한다.

메타 교수는 “우리의 연구는 일리노이 대학에서 진행 중인 협력의 더 큰 생태계의 일부다. 상류에는 문어에 대한 실험을 수행하는 생물학자들이 있다. 하류에는 이러한 수학적 아이디어를 실제 소프트 로봇에 적용하는 로봇 공학자들이 있다”고 설명했다.

메타 교수와 가졸라 교수 팀은 이 대학 라노어 질레트 분자·통합 생리학 명예 교수와 협력, 관찰된 문어 생리학을 이 연구를 위한 수학적 모델에 통합했다.

향후 연구에서는 에너지 기반 제어의 생물학적 영향에 대해 논의한다. 또한 연구원들은 같은 대학 거리쉬 크리슈난 산업·기업 시스템 공학교수와 협력해 그들의 수학적 아이디어를 실제 소프트 로봇 설계와 제어에 통합한다.

이것은 소프트 로봇을 제어하는 체계적인 방법을 만들 뿐만 아니라 그들의 작업 메커니즘에 대한 더 깊은 이해를 제공하게 된다.

이 연구는 미 해군연구청(ONR)의 지원을 받는 일리노이 대학의 조정 과학 연구소의 다학제 대학 연구 계획인 사이버 문어 프로젝트의 일부였다.