[헬로티]
소프트 로보틱스의 제어로서 필자 등이 효과적이라고 생각하는 것이 자율 분산 제어이다. 왜냐하면, 뇌도 신경도 없는 단세포 생물로부터 포유류에 이르기까지 유연한 신체를 가지고 있는 생물이 자율 분산 제어를 채용하고 있기 때문이다. 자율 분산 제어란 단순한 지각․판단․동작 출력의 기능을 가지는 요소(자율개)가 여러 개 모여 상호작용하는 것으로, 대역적으로 비자명한 기능을 창발시키는 제어 방법이다. 이와 같은 특성 때문에 내고장성, 확축성, 환경적응성을 나타내며, 기존의 중앙 집권형 제어 시스템에서는 다루기 어려웠던 대자유도를 제어하는 수단으로서 주목받아 왔다.
신장, 굽힘, 뒤틀림 등 다채로운 변형 모드와 대자유도, 비선형의 동적 점탄성 특성, 이러한 소프트 로봇이 선천적으로 가지는 복잡한 특성을 있는 그대로 수용해 생물 시스템에 필적하는 인공물을 만들어내기 위해서는 생물이 채용하고 있는 자율 분산 시스템을 소프트 로봇에 실장할 필요가 있다.
이 글에서는 필자 등의 소프트 로봇에 자율 분산 제어를 도입한 사례를 소개하면서, 그 한계를 논의한다. 그리고 그 한계를 깨기 위한 어프로치도 소개한다. 소프트 로보틱스의 재미있는 점은 딱딱한 로봇의 상식에 얽매이지 않고, 액추에이터, 센서, 제어의 재구성․재설계가 요구된다는 것에 있다. 또한, 각각의 설계로 변경한 전기․기계 특성을 기초로, 시스템 전체를 다시 만들 필요가 있다. 그것을 여기서 소개하는 사례 연구를 기초로 맛보기 바란다.
나비유충형 소프트 로봇에 자율 분산 제어를 실장한다
1. 다리의 유무에 따라 동작을 자율적으로 바꾸는 나비유충형 소프트 로봇
소프트 로봇을 위한 자율 분산 제어칙을 논의하기 위해 필자 등이 주목하고 있는 생물 중 하나는 나비유충이다. 나비유충은 일차원 끈 모양의 심플한 바디를 가지고 있으며, 또한 그 바디에는 골격이 없다. 제어기인 신경 시스템도 포유류 등에 비하면 놀랄 만큼 단순하며, 포유류의 뉴런 수에 비하면 1000분의 1이다.
이와 같은 생물이 환경에 따라 다채롭고 적응적인 동작을 생성하는 메커니즘을 해명할 수 있다면, 그 제어 메커니즘을 소프트 로봇의 제어기로서 사용할 수 있을 것이다. 거기서 필자 등은 이 적응 메카니즘을 구성론적으로 이해하기 위해 나비유충형 소프트 로봇을 개발했다(그림 1).
이 로봇은 보디 중앙에 있는 다리의 유효화/무효화에 따라 동작을 자율적으로 바꾼다. 모든 다리가 유효한 경우는 뒤에서 앞으로 굽혀 운동을 전반시키는 Crawling(기기) 운동을 한다(그림 1 (b)). 이에 대해 중앙의 다리에 저마찰 테이프를 붙여 다리를 무효화(지면과 고마찰이 되지 않는다)한 경우는 바디 중앙을 크게 변형시켜 이동하는 Inching(자벌레) 운동을 생성한다(그림 1 (c)).
제어기로서 이용된 것은 주기적인 운동을 생성하는데 적합한 결합 진동자계로, 각 진동이 각 체절의 신축을 제어하는 자율 분산형인 것이다. 체절이 다리를 가지는 경우, 그 진동자에 그 다리의 변형(지면과의 마찰력)을 국소 피드백했을 뿐이다. 구체적으로는 마찰력이 진행 방향과 같으면 보디를 굴곡하도록, 마찰력이 진행 방향과 반대이면 보디가 평탄해지도록 피드백을 설계했다. 단지 그뿐이지만, 다리의 유무에 따라 ‘동일한 제어기에서’ 다른 동작을 생성하는데 성공했다.
2. 제어계의 개량, 기구계의 개량
이 방향에서 보다 적응 능력을 향상시키기 위해서는 어떻게 해야 할까? 하나는 통제계의 복잡화, 또 다른 하나는 기구계의 복잡화이다.
제어계의 복잡화를 위해 로컬한 센서 정보를 로컬한 제어기에만 피드백하는 것이 아니라, 어느 센서가 어느 신체 부위의 제어기에 센서 정보를 전달하는지를 신체 전체에서 최적화하는 방법을 구축했다.
구체적으로는 이시게(石毛), 타니구치(谷口) 등과 함께 진동자계의 역각 피드백을 강화학습으로 획득하는 제어책을 제안했다. 역학 모델의 수치 시뮬레이션을 이용해 확축성(그림 2 (b) 위 2개의 이미지), 환경 변동에 대한 적응성(그림 2 (b) 아래 2개의 이미지)를 나타냈다(동영상은 https://www.liebertpub.com/doi/full/10.1089/soro.2018.0126의 Supplymentary Video에서 공개).
기구계의 복잡화로서는 변형 모드를 늘려 동작의 다양화를 시도했다. 나비유충의 기기 운동을 관찰하면, 압축과 굽힘을 양쪽 다 사용하고 있다. 이러한 멀티모달인 변형은 부드러운 재료를 사용하는 경우 정도의 차이는 있어도 항상 발생하고 있다. 그래서 필자 등은 여러 개의 변형 모드를 적극적으로 이용할 것을 제안하고, 운동 중에 압축 변형과 굽힘 변형을 동시에 하는 나비유충 로봇을 제안했다. 시뮬레이션과 시제작 기기의 실험 결과에서는 여러 개의 변형 모드를 조합하는 편이 운동 속도를 향상시킬 수 있다는 것을 보여줬다. 또한, 이렇게 여러 개의 변형 모드를 조합함으로써 매우 다양한 운동을 생성할 수 있는 소프트 로봇을 설계할 수 있을 것 같다.
3. 시판 부품을 조립하는 것만으로 좋을까?
여기까지 하고 나서 의문이 생기게 됐다. 시판의 기계 부품이나 전자 부품을 모아 만드는 로봇으로 기존의 생물 시스템에 필적하는 기계 시스템을 만드는 것이 가능할까? 사용하는 마이크로컴퓨터에 의해 제약을 받는 입출력 수, 센서나 액추에이터의 수를 늘리면 늘릴수록 무시할 수 없게 되는 배선 문제, 강성을 조절할 수 없는 센서(굽힘 센서, 신장 센서), 형상을 스스로 디자인할 수 없는 액추에이터······. 이러한 문제에 대해 필자 등은 나비유충 로봇의 무선급전화, 센서와 액추에이터를 일괄적으로 조형하는 디지털 패브리케이션 제안도 했다.
그러나 소프트 로봇의 멀티모달에서 연속체적인 변형을 추출, 더욱 다양한 변형을 창출하기 위해서는 센서․액추에이터 수를 한 자릿수 올릴 필요가 있지 않을까? 이대로 시판의 일렉트로닉스를 조립하는 것만으로는 한계가 있어 보인다. 애초에 자율 분산 제어가 스케일하기 위해서는 자율 분산 제어의 최소 단위인 자율개의 지각, 판단(계산), 구동 방법 그 자체를 처음부터 재검토해야 하는 것은 아닐까? 그러한 관점에서 이후에 소개하는 것은 필자 등이 새로운 학술 영역 소프트로봇학에서 하고 있는 생물을 기계 시스템에 도입하는, 생물을 기계 시스템의 설계 재료로서 이용하려고 하는 시도이다.
생물로 센서를 만든다
1. 곤충의 후각 수용
생물은 주위의 환경이나 신체 변화를 말초의 감각 수용기에 의해 획득하고, 그러한 정보를 운동에 피드백함으로써 적응적으로 동작할 수 있게 되어 있다. 행동 결정을 하는데 있어 이러한 정보를 적절하게 획득하는 것은 매우 중요하다. 특히 곤충은 포유류보다 압도적으로 소규모의 신경계로 구성되어 있는데, 적응적으로 동작해 생존이나 번식이 가능하게 되어 있다.
획득하는 감각 정보에는 시각, 후각, 촉각, 청각, 미각 등 다양한데, 곤충이 가진 2개의 촉각은 다양한 감각 정보를 고감도로 수용할 수 있는 인공물은 흉내 낼 수 없는 다양한 센서로 알려져 있다. 촉각이 획득 가능한 감각 정보 중에서도 후각은 인공적인 냄새 센서에서는 흉내 낼 수 없는 성능을 가진다. 특히, 나방류의 성페로몬에 대한 고감도이고 선택적인 페로몬 수용에 대해 밝혀져 왔다.
성페로몬에 대해 특이적으로 응답을 나타내는 누에나방의 촉각 상에는 약 2만 5000개의 후각 감각자가 있으며, 그들이 규칙적으로 나열되어 있다는 것이 보고되어 있다. 누에나방 촉각의 성페로몬에 대한 응답은 일반적인 인공적인 냄새 센서보다 10배 이상의 시간 분해능을 가지고 있다는 것이 밝혀져 있으며, 이것이 냄새 발생원 탐색 성능에도 영향을 미친다는 것을 알게 됐다. 그렇기 때문에 곤충의 촉각을 인공적인 냄새 센서로서 로봇에 실장하는 시도가 전 세계의 연구팀에 의해 진행되어 왔다. 그래서 필자 등은 누구라도 쉽게 곤충의 촉각을 센서로서 사용할 수 있는 대응을 해 왔으므로 소개한다.
2. 인쇄 전극에 의한 촉각 변위 응답 계측
곤충의 촉각을 센서로 이용할 때의 일반적인 방법으로서 촉각 전위를 계측하는 것이다. 촉각 전위는 1950년대 중반에 Schneider 등에 의해 제안된 곤충의 촉각 양쪽 끝에 전극을 삽입해 냄새 자극에 대한 전위 변화를 계측하는 방법이다. 기존의 방법으로는 촉각 양쪽 끝에 미세한 와이어 전극을 삽입해 직접 계측하거나, 혹은 링거액이 충전된 유리관을 촉각 양쪽 끝에 꽂아 링거액 경유로 계측을 하는 방법이다. 어느 방법이나 길이 직경 1mm 정도의 가는 촉각 양쪽 끝에 와이어 전극 혹은 유리관을 삽입하는 세밀함이 요구되는 작업이기 때문에 깨끗한 촉각 전위 응답을 계측할 수 있는지의 여부는 실험자의 기술에 의존해 왔다고 할 수 있다. 그래서 필자 등은 촉각 전위뿐만 아니라, 생체 신호를 계측할 수 있는 전극을 자유자재로 설계 가능한 프린티드 일렉트로닉스 기술을 이용함으로써 제작할 수 있지 않을까 생각했다.
프린티드 일렉트로닉스이란 인쇄 기술을 이용해 전자회로와 디바이스를 형성하는 기술을 말하며, 특히 잉크젯 인쇄에 의한 회로 패턴 생성은 정확하게 경로와 양을 결정할 수 있기 때문에 매력적이라고 할 수 있다. 최근 이 프린티드 일렉트로닉스 기술은 인간의 EEG 계측에도 응용이 되고 있으며, 주목받고 있다. 이것을 사용하는 장점은 전극을 간단히 제작할 수 있을 뿐만 아니라, 전극을 필름 시트에 인쇄할 수 있기 때문에 2차원적인 전극뿐만 아니라 인쇄 후의 필름을 접어서 3차원적인 구조를 가진 전극도 제작할 수 있다는 것이다. 이 전극에 의해 현미경을 사용한 미세한 조작이 필요하지 않으며, 그림 3과 같이 촉각을 전극 윗면에 올리는 것만으로 계측이 가능해진다. 이 인쇄 전극에 촉각의 구조가 전혀 다른 나방류(누에나방)과 벌류(호박벌) 두 종류의 곤충으로부터 촉각을 잘라내 촉각 전위 응답을 계측했다.
인쇄 전극에 실장한 촉각에 대해 냄새를 뿜고, 실제로 촉각 전위 응답을 기록한 파형을 그림 4에 나타냈다. 누에나방의 촉각에는 성페로몬(봄비콜)을, 호박벌의 촉각에는 시트랄을 제시하고 있다. 그림에 나타난 하늘색(Odor Stimulus로 표시)이 냄새 자극을 제시하고 있는 타이밍으로, 빗 모양으로 여러 개의 털로 구성된 누에나방의 촉각이라도 막대기 모양과 같은 호박벌의 촉각이라도 냄새 자극 제시 직후에 일과적인 억제 응답이 발생하고 있다는 것을 알 수 있다. 이 일과성 응답이 냄새 자극에 대한 촉각 전위 응답으로, 이것으로부터 곤충에서 촉각을 분리해 인쇄 전극에 싣는 것만으로 촉각의 전위 응답을 계측할 수 있다는 것을 알 수 있었다.
3. 생물 센서화의 향후
여기서는 곤충의 촉각을 프린티드 일렉트로닉스 기술을 이용해 쉽게 냄새 센서화하는 시도에 대해 소개했다. 이와 같이 생물의 감각 수용기를 센서화함으로써 인공적으로는 실현이 어려운 센서를 자율 이동체에 실장할 수 있을 것으로 예상된다. 이것에 의해 주위의 환경 변화와 자신의 신체 변화를 빠르게 검지, 적응적으로 행동할 수 있는 로봇 시스템의 실현이 기대된다.
생물로 로봇을 만든다
1. 로봇의 형태와 기능
최근의 로봇은 다양화되고 있으며, 일상적으로도 여러 가지 로봇을 볼 기회가 많아졌다. 최근 움직이는 로봇에 지능을 실현하기 위해서는 뇌(제어계)의 지령뿐만 아니라, 직접 환경과 접촉하는 신체(기구계)의 구조를 적절하게 활용하는 것의 중요성이 지적되어 왔다. 즉, 로봇의 형태와 기능 사이에는 밀접한 관계가 있어 떼어낼 수 없다. 그렇기 때문에 필자 등은 모듈화된 로봇군을 협조적으로 동작시킴으로써 전체의 형태와 기능을 가변으로 하는 모듈러 로봇에 주목해 왔다.
2. 세포의 로봇화에 의한 자기 개변 능력의 실장
필자 등은 이전에 진정점균과 같이 자유자재로 합체 변형을 하는 모듈러 로봇 Slimebot을 개발했다. Slimebot은 10대의 로봇군에 의한 실제 기기 실험, 1000대의 로봇을 가정한 시뮬레이션을 통해 환경 적응적인 형태 변형을 수반하는 로코모션 능력을 발현한다는 것을 보여줬다. 한편, 생물에서 볼 수 있는 자기 조직화(성장), 자기 복제, 자기 복구와 같은 자기 개변 능력의 실장은 아직도 어렵다.
어떻게 하면, 이 자기 개변 능력을 로봇에 실장할 수 있을까? 모듈러 로봇에서 모듈 수는 많아야 1000대의 오더이다. 생물의 구성 단위인 세포는 예를 들면 사람의 경우 30조개 이상이나 된다. 무리의 지능은 시스템에 내재하는 개체의 수에 의존해 발현되는 것으로 생각된다. 그렇기 때문에 생물의 자기 개변 능력을 모듈러 로봇에 실장하기 위해서는 로봇의 대수를 많게 할 필요가 있다고 알게 됐다. 필자 등은 하나의(어떤 의미에서 극단적인) 방법론으로서 살아 있는 세포를 직접 로봇 부품으로 하거나, 혹은 세포 그 자체를 로봇으로 만드는 접근 방식을 채용하는 발상에 이르렀다. 즉 세포의 로봇화에 의해 개체 수의 문제를 해결하고, 자기 개변 능력을 실장하는 것을 시도한다.
3. 기계 자극에 의한 세포의 제어
세포는 그것 단체로는 이동한다, 증가한다(분열한다), 형태․기능을 바꾼다(분화한다), 죽는다 등과 같은 동작을 보인다. 세포는 유전 정보에 의해 조립된다(센트럴 도그마). 세포를 로봇에 비유하면 DNA가 전체의 설계도가 되고, 그 일부를 기능마다 복사한 개별 사양서(mRNA)를 기초로 부품(단백질)이 합성된다. 그 부품에 따라 기능이 특징지어지고, 로봇(세포)이 만들어지는 프로세스를 반복한다. 최근 이 세포의 조립에 관한 사이클이, 외부의 기계 자극에 의해 개변된다는 것이 밝혀졌다.
Engler 등은 경도가 다른 기질 상에서 배양된 간엽계의 줄기세포가 다른 세포로 분화하는 것을 보고했다. Engler 등의 보고에서는 간엽계의 줄기세포를 지면의 딱딱한 정도가 다른 환경 하에서 배양하면, 딱딱한 지면에서는 뼈가 되고 중간의 딱딱함에서는 근육이 되며, 부드러운 지면에서는 신경이 된다는 것을 보고했다. Engler 등의 지견은 로봇공학자에게 친화성이 높은 툴(기계 자극)을 사용해 생물의 생리학적인 응답(기능과 형태를 바꾸는 자기 개변 능력)을 제어할 수 있는 가능성을 시사한다. 이상의 개념에 기초해, 세포 그 자체를 로봇으로 만들어내는 접근 방식을 시도했다.
4. 생체 기계 융합 시스템
여기서는 생체 기계 융합 시스템의 예로서 근세포 액추에이터를 소개한다. 필자 등은 역학적 자극에 의한 세포 분화 촉진을 활용해 ‘자기 조직적으로 로봇의 몸을 만들고’, 전기 자극으로 구동하는 근세포 액추에이터를 개발했다. 이 근세포 액추에이터에서는 둥근 고리 모양의 콜라겐 겔 속에서 근세포를 배양함으로써 전기 자극의 인가로 신축을 하는 근세포 액추에이터로 디자인했다. 실제로는 근세포와 콜라겐 겔을 그림 5와 같은 챔버에 현탁해 배양을 했다.
반복적인 기계 자극을 인가한 조건(Stretched)과 하지 않았던 조건(Non-Stretched)를 비교했다. 결과를 그림 6에 나타냈다. 기계 자극을 인가한 경우, 근세포 액추에이터의 콜라겐 섬유가 배향되어 있다는 것을 알 수 있었다. 또한, 기계 자극을 인가하고 있던 근세포 액추에이터 쪽이 전기 자극을 인가했을 때의 등척성 장력이 커지는 것을 알 수 있었다. 즉, 이 예에서는 기계 자극에 의해 근세포 액추에이터가 자기 개변(콜라겐 섬유의 구조가 변한다. 수축력이 강해진다)한다는 것을 보여줬다.
5. 생물로 만드는 로봇의 미래
생물의 자기 개변 능력을 실장하는 생체 기계 융합 시스템에 대해 필자 등이 대응한 일부를 소개했다. 바이오 소프트 로보틱스의 실현을 위해 환경에 적응하면서 살아가는 생물을 세포 수준에서 공학적으로 실장하는 접근 방식을 설명했다. 이 글에서 소개한 실제 근육세포를 움직이는 로봇은 환경에 적응해 성장할 수 있다.
최근 생체 기계 융합 시스템에 의해 심근 시트나 인공 각막 외에, 로봇 의수나 파워 어시스트 슈트가 개발되는 등 의학과 로봇공학이 서로 접목되어 울타리가 낮아지고 있다. 자기 개변 능력을 가지는 바이오 소프트 로보틱스는 실현에 가까워지고 있다.
필자 등의 접근 방식은 생각한 대로 생체 조직이나 기관을 만들 수 있게 하고, 인간 사회를 여러 가지로 지지하는 사람에게 친절한 기계를 만들 수도 있을 것으로 기대된다.
우메다치 타쿠야, 신슈대학 섬유학부
시가키 슌스케·시미즈 마사히로, 오사카대학 대학원 기초공학연구과
