[헬로티]

소프트 로보틱스는 로보틱스의 새로운 전개로서 뿐만 아니라, 유연한 고분자 재료와 플렉시블 일렉트로닉스의 새로운 응용처로서 주목받고 있다. 부드러움에 의해 변형 능력을 얻은 로봇은 무엇이 기존의 로봇과 다른 것일까? 이 질문에 대답하기 위해서는 물리적 특성의 차이를 지적하는 것만으로는 충분하지 않다. 그래서 질적인 전환을 설명하는 사상적인 지주로서 소프트 로봇의 ‘신체성’을 생각하고 싶다.

신체성(embodiment)은 신체성 인지 과학(embodied cognitive science)을 배경으로 한 용어이다. 그 해석은 학술 분야나 연구자에 따라 다르다. 신체성의 가장 소박한 출발점은 자율 시스템의 동작에서 신체가 하는 역할에 대한 깨달음이다. 여기서는 소프트 로보틱스에 있어 신체성의 여러 가지 측면을 이하와 같이 독자적으로 분류한다.

 

첫 번째로, 신체는 계면(interface)을 만든다. 계면의 접촉으로 힘의 교환이 이루어진다. 미지 환경을 탐색할 때에는 신체 표면은 미지와 기지의 계면이다. 신체에 의해 자기와 타자, 개인과 환경의 관계가 일어난다. 접촉 안전성은 소프트 로봇에게 기대되는 기능의 하나이다. 소프트 로봇의 신체는 이음매가 없는 복잡한 형상으로 할 수 있다. 

두 번째로, 신체는 액추에이터나 센서의 배치(layout)를 규정한다. 액추에이터의 레이아웃은 변형(운동)이나 질량 분포를 규정한다. 센서의 레이아웃은 감도나 지향성, 공간 분해능을 규정한다. 소프트 로봇에서는 액추에이터나 센서가 바디에 삽입되어 일체화되는 경우가 많기 때문에 그 물리적인 특성이 전체의 변형 능력에 영향을 미친다.

세 번째로, 신체는 변환기(transducer)이다. 근육의 변형은 골격계에 의해 증폭된다. 손가락 끝의 촉각이 손가락 안쪽의 부드러움이나 지문의 미세 구조에 의존하고 있는 것처럼 지각은 부드러운 신체와 불가분의 관계이다. 감각기가 신체의 어디에, 어떻게 삽입되어 있는지가 감각 정보에 문맥을 부여한다.

네 번째로, 신체는 계산(computation)을 한다. 계산기라는 유추에 의하면, 신체는 연산장치나 기억장치, 정보의 전송로가 될 수 있다. 로봇의 제어 소프트웨어에 부여되어 있는 정보 처리의 일부를 신체에 태스크 분배하는 것이 합리적이라는 개념은 형태 계산(morphological computation)이라고 불린다. 관련해서, 부드러운 신체에 의해 다이내믹스를 가지는 리커런트 뉴럴 네트워크를 구성하려고 하는 물리 리저버 계산(physical reservoir computing)이 제안되고 있다.

다섯 번째로, 신체는 의미의 근원(source of meaning)이다. 에이전트에게 있어 세계의 이해나 행동의 의미․가치는 실제 세계와의 가교인 신체로부터 나타난다. 이것은 지능 시스템의 근간에 관련되는데, 의미나 이해가 어떠한 알고리즘과 장치에 의해 실장되는지는 밝혀지지 않았다. 신체성 지능과 소프트 로보틱스의 결합이 지적되고 있다.

딱딱한 로봇이 기존의 환경에서 정형 동작을 실행하는 경우, 신체성은 거의 의식되지 않는다. 이에 대해 부드러운 로봇이 미지의 환경에서 접촉을 허용하면서 다양한 동작을 생성하는 경우, 위와 같은 부드러운 신체의 성질을 제약으로서 또한 동시에 자원으로서 간과할 수 없다. 소프트 로보틱스가 신체성에 새로운 빛을 비추고, 로봇의 설계와 제어에 발상의 전환을 가져올 것으로 기대하고 있다.

액티브 소프트 머티리얼의 활용

부드러움에 의한 신체성의 변용을 염두에 두면서, 기능성 유연 재료의 로봇 응용에 관한 보다 구체적인 과제에 대해 개관한다. 스케일러빌리티, 계층성, 용장성이라는 키워드로, 액티브 소프트 머티리얼에 대한 기대를 정리한다.

1. 레이아웃과 스케일러빌리티

부드러운 로봇에서는 여러 개의 소프트 액추에이터 및 소프트 센서의 통합이 지향된다. 로봇 시스템을 구성했을 때, 액추에이터를 수십에서 수백 정도까지 늘려도 시스템이 파괴되지 않는 확장성을 여기서는 액추에이터의 스케일러빌리티(scalability)라고 부른다. 센서에 대해서도 마찬가지로, 액추에이터보다 더 많은 백에서 천 정도까지 센서를 늘려도 배선이나 감각 정보 처리 시스템이 파탄되지 않는 것을 센서의 스케일러빌리티라고 부른다.

기존의 로봇 시스템은 소수의 대형 모터로 구동되는 경우가 많았다. 소형의 전기 모터를 집적하면 공간의 낭비가 늘어나고, 구동회로도 여러 개 필요해져서 메리트가 적기 때문이다. 이것은 여러 개의 근육 집적으로 이루어지는 근골격계와는 다른 아키텍처이다. 소프트 액추에이터의 유연성과 형상 자유도를 활용하면, 한정된 공간에 보다 많은 액추에이터를 배치할 수 있게 되어 초용장 시스템이 무리 없이 실현될 가능성이 있다. 소프트 센서에 대해서도 딱딱한 센서의 실장이 어려운 유연부에 여러 개의 센서를 삽입할 수 있게 될 것이다.

액티브 소프트 머티리얼의 장점 중 하나는 재료 그 자체에 여러 가지 기능을 고도로 통합할 수 있는 점이다. 액티브 소프트 머티리얼의 도입으로 액추에이터와 센서의 레이아웃이 근본적으로 바뀌고, 스케일러빌리티가 비약적으로 향상될 것으로 기대된다.

여러 개의 센서를 고밀도로 3차원 곡면에 배치한 예로서, 촉각 센서 글로브가 있다. 인간의 작업 중인 손가락이나 손바닥의 촉각 정보를 취득할 목적으로 개발된 촉각 센서 글로브는 한 손으로 1000점이 넘는 압력의 계측을 실현했다. 여러 개의 액추에이터를 실장한 예로서, 전기모터로 와이어를 감아 빼는 형식의 근형 모듈을 이용한 인간형 로봇이 있다. 인체 모방 근골격 휴머노이드 ‘켄고로(腱悟郎)’는 소프트 로봇이라고는 할 수 없지만, 100개가 넘는 근형 액추에이터가 사용되어 있다.

소프트 액추에이터와 소프트 센서를 얼마나 많이 배치해 제어․계측을 할 수 있는지는 하나의 기술적인 도전이다.

2. 변환으로서의 신체 계층성

머티리얼의 분자 수준 설계와 로봇 시스템의 매크로한 동작을 결합시키기 위해서는 스케일의 계층성을 논의할 필요가 있다고 생각된다. 첫머리에서 언급했던 신체 변환기로서의 측면도 부분과 전신, 분자에서 기구까지 계층적이다.

생체 골격근의 계층적인 구조와 제어는 잘 알려져 있다. 제어의 관점에서는 근섬유는 여러 개를 모아서 하나의 운동 뉴런의 지배를 받고, 이것은 운동 단위라고 불린다. 운동 단위가 차례로 동원되고, 동원되는 운동 단위의 수에 따라 전체적인 근육의 장력이 조정된다. 이러한 스케일이 다른 구조의 축적은 대형 신체의 실현이나 미세 운동과 조대 운동 양쪽 모두를 구사하기 위해 도움이 되는 것으로 생각된다.

소프트 로보틱스 연구는 분야 횡단적이며, 각 연구가 취급하고 있는 현상․원리의 스케일도 다양하다. 아래와 같은 다른 계층의 어디가 중심 과제인지를 의식함으로써 학술적인 공헌이 명확해진다.

1. 재료의 분자 수준 설계

2. 미세 구조의 설계, 기계적 메타머티리얼의 실현

3. 형상․구조나 재료 조합의 고안

4. 다자유도의 감각-운동계의 구축

도마뱀붙이의 부착 능력을 모방한 미세 구조로 대표되는 바이오미메틱스(biomimetics)가 성공을 거두어 온 기능성 표면은 제2계층으로 분류될 것이다. 동일한 실리콘고무를 사용하면서 섬유 강화나 주름통 형상 등을 고안한 소프트 액추에이터의 탐색은 제3계층에 속한다. 재료의 박막화나 패턴의 고안에 의한 소프트 센서의 개발도 마찬가지로 제3계층에 속한다. 인공근육을 사용한 근골격 로봇의 개발은 제4계층에 해당된다. 모든 계층을 동시에 다루기는 어렵지만, 유연 재료를 이용한 새로운 로봇 시스템의 실현에는 멀티 스케일의 시스템 인테그레이션이 요구된다.

시스템 인테그레이션에 있어서는 완전히 다른 소재나 에너지 변환 원리에 근거한 요소 기술을 조합하는 것은 어려울 것이다. 동일한 재료가 후처리나 조형의 고안에 의해 골격으로도 액추에이터로도 센서로도 분화한다고 하는 구조가 이상적이다.

3. 계산 자원으로서의 용장성

풍부한 자유도, 여러 개의 액추에이터와 센서, 풍부한 내부 다이내믹스를 갖춘 소프트 로봇은 로봇 시스템으로서 우수한 것일까? 수동 자유도를 높이는 것은 비교적 용이하지만, 액추에이터와 센서를 늘리는 것은 일반적으로는 코스트의 관점에서 불리하다. 기계의 대부분은 설계자가 예상한 범위의 기능을 수행하는 것에 특화되어 있기 때문에 융통성이 없고 취약하지만, 도구 혹은 제품으로서는 합리적이다.

척추동물의 근골격계에서는 한 관절에 작용하는 근육은 여러 개가 있으며, 장력의 중첩에 의해 관절운동이 일어난다. 여러 개의 관절에 동시에 작용하는 다관절근이나 여러 개의 기시가 있는 다두근도 드물지 않다. 이것은 구조와 액추에이터 사이의 보다 일반성이 높은 관계를 나타내고 있으며, 관절이 없고 연속적으로 변형되는 소프트 로봇으로도 자연스럽게 확장 가능한 구동 방식이다. 산업용 로봇 암과 같은 하나의 관절에 하나의 액추에이터가 대응하는 형식은 오히려 특수한 예라고 할 수 있다.

로봇 매니퓰레이터에 있어, 작업 공간의 자유도에 대해 관절이나 액추에이터의 자유도가 많다고 하는 의미의 용장성은 종종 유용하다. 손끝의 위치․자세가 정해져 있어도 중간 링크의 위치․자세에 자유도를 남길 수 있기 때문이다. 소프트 로봇은 많은 자유도를 갖추고 있으므로 잠재적으로 보다 많은 운동 패턴을 가진다. 한편, ‘심플 이즈 베스트’라는 공학의 대원칙에서 크게 벗어나 있다. 인간형 로봇도 자유도가 많고 범용성이 기대되는 점에서 비슷한 특징을 가진다. 신체의 복잡성이 그것을 유지하는 코스트에 상당하는 만큼의 기능을 가질 것으로 기대된다.

물리적인 신체를 계산 자원으로 이용하는 물리 리저버 계산은, 신체의 복잡함을 활용하는 수단의 하나이다. 필자 등은 근골격계와 텐세그리티(tensegrity) 구조의 유추에 주목해 텐세그리티 구조의 다이내믹스를 계산 자원으로 사용할 수 있다는 것을 검증했다. 텐세그리티는 인장 부재와 압축 부재가 균형을 유지한 구조이다. 근골격계를 인장 부재가 신축하는 텐세그리티로서 모델화한다(그림 1). 이것에 여기 진동을 가했을 때, 이 구조는 정적인 구조가 아니라 부분과 전체가 호응하는 어느 정도 복잡한 다이내믹스를 가진다고 생각된다.

결과는 ‘근육으로 생각한다’(근육의 다이내믹스에 의해 어떤 종류의 정보 처리를 한다)가 가능하다는 것을 시사한다. 인체는 근육 이외에도 보다 복잡한 다이내믹스를 가진 장기와 조직으로 이루어진 호흡기계, 순환기계, 소화기계 등을 갖추고 있으며, 이들은 행동이나 의사 결정에 일정한 공헌을 하고 있는 것으로 생각된다.

신체의 복잡함은 지능과 깊게 결부되어 있다. 소프트 로봇의 변형능이나 용장 자유도는 반드시 눈에 보이는 형태로 도움이 되는 것이 아니라, 자원의 풀이다. 첫머리에 언급한 신체의 ‘의미의 근원’으로서의 측면은 아직 충분히 밝혀지지 않았다. 소프트 로봇의 풍부한 내부 다이내믹스는 지능 시스템의 질적인 전환에 공헌할 것이다.

소프트 로봇의 설계․개발

복잡한 형상과 동작을 특징으로 하는 소프트 로봇을 실제로 제작하는데 있어, 계산기를 활용한 접근 방식을 소개한다. 또한, 입수성의 과제에 대해 다룬다.

1. 계산기에 의한 자동 설계

원하는 동작을 실현하는 소프트 로봇의 변형을 적절히 설계하는 것은 어렵다. 수동 설계의 어려움에 대처하기 위한 효과적인 접근 방식 중 하나가 소프트 로봇의 계산기에 의한 자동 설계(computational design)이다.

3차원 물체의 변형 모델화에 대해 3D CG의 분야에서는 인체나 크리처의 보디에 대해 많은 연구가 있다. 그들은 3D 모델의 렌더링뿐만이 아니라, 복잡한 형상의 고무풍선 설계나 3D 프린트한 캐릭터의 변형 설계에도 미치고 있다. 3D 프린터는 조형할 수 있는 재료가 한정되지만, 슬릿이나 구멍을 잘 설치함으로써 부드러움이나 변형을 부위마다 변경할 수 있다. 미세 구조를 도입한 기계적 메타머티리얼의 응용 예로서 문손잡이와 자물쇠의 설계 예가 있다.

소프트 로봇 형태의 탐색 방법 중 하나로 유전적 알고리즘을 이용한 진화 설계가 있고, 유연 복셀의 집합에 의해 소프트 로봇을 표현하는 로봇 시뮬레이터 ‘VoxCAD’가 사용된다. 필자 등은 하나의 태스크가 아니라, 여러 개의 태스크에 대응할 수 있는 소프트 로봇의 진화 설계 방법을 제안했다(그림 2).

센서 배치의 최적화에 대해서도 막대기 모양의 유연 재료에 외력을 가했을 때의 자세 추정에 필요한 소수의 신축 센서를 선택하는 방법이 제안되고 있다. 초기 상태에서는 대량의 센서가 삽입되어 있으며, 그 중에서 변형의 추정에 대한 공헌도가 높은 센서를 선택해 가는 방식이다. 소프트 그리퍼의 예는 초기 상태에서는 200개 삽입되어 있던 센서를 6개로 줄인 결과를 보여주고 있다.

인간은 부드러운 로봇을 제작할 수는 있지만, 실제로는 그 신체의 잠재적인 동작이나 기능을 다 설계해 낼 수는 없다. 보통 기계장치의 설계 외의 동작은 철저하게 피해야 하지만, 소프트 로봇의 경우는 로봇이 자율적으로 운동을 탐색해 임기응변적으로 동작하는 것이 기대된다.

2. 입수성

필자 등은 도약이나 주행 등의 고속 동작을 하는 근골격 로봇을 개발해 왔다(그림 1). 그러나 대유량의 신뢰성이 높은 시판의 공기압근이 없었기 때문에 자체 제작함으로써 비로소 로봇을 개발할 수 있었다. 한편, 공기압 제어 밸브를 독자적으로 개발하는 것은 어렵고, 시판 밸브의 크기와 질량을 생각하면 수십 개의 공기압근을 독립적으로 제어하는 것은 어려웠다. 그렇기 때문에 이관절근을 포함하는 주요 근육만으로 근골격계의 한 일면을 파악하고는 있지만, 크고 작은 여러 가지 근육의 중첩은 재현할 수 없었다.

만약 정말로 뛰어난 소프트 액추에이터나 소프트 센서가 개발됐을 때는 그 평가 키트나 적어도 자체 제작을 위한 재료와 제작 방법이 널리 공유되는 것이 바람직하다. 제조․판매를 관여하는 회사가 나타나면, 연구 분야는 크게 발전할 것이다. 예를 들면, 만약 모터나 기어가 시판되지 않아 각자가 연구실에서 자체 제작할 필요가 있는 상황이었다고 하면, 로봇 개발은 지지부진해 진척되지 않았을 것이다. 소프트 로보틱스 연구를 위한 재료와 설비를 공급하는 ‘생태계’가 필요하다.

시제작에서 실용으로

소프트 로봇은 새로운 재료와 기술의 응용처로서 새롭고 알기 쉽게 모델화하는데 적합하다. 한편으로 소프트 로보틱스의 근본적인 과제는 산업에 있어 장래성일 것이다. 공학적으로는 부드러운 로봇이 다른 설계 해보다 우수한 합리적인 선택지인 것이 기대된다. 코스트나 내구성도 문제가 된다.

현재 물류나 제조 현장에서는 로봇 팔에 카메라나 거리 화상 센서, 힘 센서를 조합하면 대부분의 자동화가 가능하므로 부드러움은 필수가 아닌 것처럼 보인다. 유연 재료의 이용은 빨판 등 일부에 한정되어 있다. 소형 다품종의 제품이나 식품의 상자 포장 등 인력에 의한 작업이 남아있는 공정에서 소프트 그리퍼의 보급이 기대된다.

또한, 자동화의 연장에 있는 고전적인 로봇 응용뿐만 아니라, 지금까지 로봇과는 무관계였던 분야의 새로운 요구의 발굴․발견이 요망된다. 예를 들면, 소프트 센서가 가장 활발하게 연구되고 있는 것은 생체 모니터링을 위한 웨어러블 센서 용도이다. 다만, 웨어러블 디바이스를 위한 소프트 센서를 소프트 로봇에 즉시 응용할 수 있는 것은 아니다. 그 밖에 의료용으로는 장기 모델이나 실습훈련용 모델, 수술연습용 인공피부 등에 유연 재료가 기존부터 사용되고 있다. 이들을 고도화․액티브화하는 방향도 생각된다.

맺음말

유연성이 로봇의 신체성을 변용시키는 것이라는 관점에서, 부드러운 신체의 특징에 대해 고찰했다. 재료 과학과 소프트 로보틱스 사이에는 대상으로 하는 현상의 스케일이나 방법론의 차이 등 격차는 있지만, 협동의 효과는 크다. 유연한 기능성 재료에 의한 새로운 로봇의 출현에 큰 기대를 걸고 있다.

니이야마 류마, 도쿄대학