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”왜 로봇은 동물을 능가할 수 없을까?“콜로라도 볼더대, ‘사이언스 로보틱스’에 연구 논문 발표
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승인 2024.04.30  15:26:29
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▲ mCLARI 로봇

”왜 로봇은 동물을 능가할 수 없을까?“

미국 콜로라도 볼더대, 워싱턴대, 캐나다 사이먼 프레이저대 공동 연구팀은 최근 전문 저널인 ‘사이언스 로보틱스’에 발표한 논문에서 이 같은 의문에 대한 해답을 모색했다.(논문 제목:Why animals can outrun robots)

카우식 자야람(Kaushik Jayaram) 콜로라도 볼더대(University of Colorado Boulder) 교수는 수십 건의 기존 연구 데이터를 분석한 결과 ”대부분의 경우 치타, 바퀴벌레, 그리고 심지어 사람과 같은 생물학적인 유기체는 로봇 상대를 능가할 수 있는 것처럼 보인다“고 말했다.

그는 ”200년 이상 강도 높은 공학적 연구를 통해, 우리는 달과 화성 등에 우주선을 보낼 수 있게 됐다. 하지만 자연 환경에서 이동할 때 생물학적 시스템보다 훨씬 나은 로봇이 아직 없다는 것은 혼란스럽다“고 했다.

야생 동물들은 거친 지형을 수천km 이동할 수 있고, 산양은 발디딜 곳을 찾기 힘든 절벽도 오를 수 있으며, 바퀴벌레는 다리 하나를 잃어버려도 속도 저하 없이 이동할 수 있다. 이들 동물처럼 민첩성과 인내심, 강인함을 갖춘 로봇을 아직 만들지 못하고 있다는 지적이다.

연구팀은 로봇이 동물을 앞지르는 데 실패하는 이유는 배터리나 액추에이터 등 기계의 결함으로 귀결되지 않는다는 결론을 내렸다. 대신, 엔지니어들이 어려워하는 부분은 로봇 부품들이 함께 효율적으로 작동하도록 만드는 것이라고 강조했다.

동물은 신체 각 부분의 '합(合) 이상' 능력을 발휘하지만 로봇은 각 부품의 합 이상 능력을 발휘하지 못하고 있다는 설명이다.

늑대 거미의 달리는 능력을 연구하고 있는 자야람 교수는 "늑대 거미들은 자연 사냥꾼이다. 그들은 바위 밑에 살고 있는데 먹이를 잡기 위해 믿을 수 없을 정도로 빠른 속도로 복잡한 지형을 달릴 수 있다”고 말했다. 이어 “엔지니어들이 비범한 거미들처럼 더 잘 작동하는 로봇을 만드는 세상을 상상한다“며 "동물들은 어떤 의미에서는 궁극적인 디자인 원리의 구현체다. 각 부분이 함께 잘 작동하는 시스템이다”라고 설명했다.

▲ 해머 주니어

연구팀은 하버드대 로봇공학자들이 예전에 개발한 바퀴벌레 모양의 마이크로 로봇인 '해머 주니어'(HAMR-Jr)와 실제 바퀴벌레를 비교한 결과, 해머 주니어는 앞뒤로 움직일 수 있지만, 좌우로 움직이거나 울퉁불퉁한 지형 위에서 움직이기는 힘들다는 것을 알았다. 이에 비해 바퀴벌레는 도자기, 흙, 자갈 등 다양한 형태의 표면을 달리는 데 어려움이 없다. 심지어 벽을 뛰어올라 작은 틈을 비집고 다닐 수도 있다.

연구팀은 이 로봇을 전력, 프레임, 작동, 센싱, 제어 등 다섯 개의 하위 시스템으로 나누었는데, 놀랍게도, 하위 시스템들 중 일부는 동물의 그것과 동등한 수준에 미치지 못하는 것처럼 보였다고 밝혔다. 예를 들어, 고품질 리튬 이온 배터리는 kg당 10킬로와트의 전력을 공급할 수 있다. 반대로 동물의 조직은 약 10분의 1의 전력을 생산하며 근육은 많은 모터의 절대 토크에 근접할 수 없다.

자야람 교수는 "시스템 수준에서 로봇은 그렇게 좋지 않다"라며, "우리는 로봇이 갖고 있는 '고유한 설계 트레이드오프'(trade-off) 문제에 봉착한다. 앞으로 이동하는 ‘속도’에 최적화하면 회전 능력과 같은 다른 것을 잃을 수 있다“고 말했다. 그는 ”동물들은 로봇과 같은 방식으로 별도의 하위 시스템으로 나뉘지 않는다“고 덧붙였다.

자야람 교수는 로봇공학의 미래가 같은 일을 하는 '기능적인 소단위'로 귀결될 수 있다고 생각한다. 그러면서 전원을 모터와 회로 기판으로부터 분리하는 것보다, 전원을 하나의 부품으로 통합하는 것이 어떨까 제안했다.

자야람 교수 팀은 다족 로봇인 'CLARI'(Complient Legged Articulated Robotic Insect)를 통해 이러한 방향으로 발걸음을 옮기고 있다고 언급했다. 자야람 교수는 CLARI가 모듈식 설계에 의존한다고 설명했는데, 이 설계에서 각각의 다리는 그 자체의 모터, 센서 및 제어 회로를 가진 자립형 로봇처럼 작용한다고 설명했다. 이를 업그레드한 새로운 로봇인 'mCLARI'는 매우 비좁은 공간에서 모든 방향으로 움직일 수 있다고 말했다.

장길수  ksjang@irobotnews.com
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