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[소프트 로봇-(6)] 겔 로봇의 연구와 인지 행동 지원 기술에 대한 전개

  • 등록 2020.02.28 10:39:47
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[첨단 헬로티]


겔 로봇의 연구–전장 응답성 고분자 겔을 이용한 유연 기계 구성법의 연구-는 1998년 대학원 석사과정 1년째일 때, 학위 연구의 주제로 시작했다. 2003년에 Modelling, Design, and Control of Electroactive Polymer Gel Robots이라는 학위 논문을 제출해 박사(공학) 학위를 받았다. 이것이 소프트 로보틱스 분야를 표현하는 말이 존재하지 않았던 시대에 쓰여진 현재에서 말하는 소프트 로보틱스 연구, 특히 전장 응답성 고분자 겔을 이용한 소프트 로보틱스에 관한 세계 최초의 논문이라고 할 수 있을 것이다.


그 후, 연구 주제의 변천을 거쳐 현재는 고령자의 인지 기능 저하 및 인지증 예방을 주된 목적으로 하는 인지 행동 지원 기술을 연구하고 있다. 현재의 연구 주제는 아직 분야로서 확립되어 있는 것은 아니지만, 조만간 소프트 로보틱스와 같은 한 분야의 원류가 될 것이라고 생각한다.


완전히 다른 주제로 보이지만, 겔 로봇의 연구는 물질과 기계의 유연성을 다루고 있는 것에 대해, 인지 행동 지원 기술의 연구는 인지와 사고의 유연성을 다루고 있으며 그 본질은 공통되어 있다. 대학원 시절 겔이라는 존재를 알게 됐으며, 그 자극 응답성과 유연성을 어떻게 이끌어내 기계의 기능성에 도움이 되게 할 수 있을지에 대해 생각해 왔다. 고령자가 해를 거듭해도 지성을 잃지 않기 위해서는 자극 응답성과 유연성을 잃지 않는 것이 중요하며, 본래 인간이 가지고 있는 기본적인 성질을 어떻게 성장의 과정에서 이끌어내고 성숙의 과정에서 계속 길러 가느냐가 핵심이 될 것으로 생각하고 있다.


이러한 가운데 소프트 로보틱스에 관한 집필의 기회를 얻었다. 받아들일까 고민하기도 했지만, 겔 로봇을 연구했던 시절의 상황에 관한 기사가 별로 없고 왜 겔 로봇을 연구했는가, 왜 현재의 연구를 하고 있는가 하는 질문을 많이 받게 되어, 어떻게 겔 로봇의 연구를 시작하게 됐는지, 그 후의 변천, 현재의 소프트 로보틱스에 대해서 등 담당 편집위원의 세 가지 물음에 대답하면서 이 글을 쓰기로 했다. 우선 왜 지금까지 연구를 해왔는지, 기본적인 동기를 정리해 보았다. 연구 주제를 정하게 된 동기는 이하의 세 가지이다.


1. 세상에 없는 재미있는 것을 만들고 싶다

2. 세상에 도움이 되는 것을 만들고 싶다

3. 세상에 좋은 영향을 주는 물건, 사고, 구조를 만들고 싶다


첫 번째는 학자라는 직업을 꿈꾼 고등학생 시절부터의 동기이다. 두 번째는 대학에 진학해 연구실에 소속된 무렵부터 공비로 연구를 하면 사회에 어떤 도움이 될 필요가 있다고 생각한 이후의 동기이다. 세 번째는 연구실을 주재하고 중장기적으로 연구 방침을 생각하는 가운데, 사회 자체가 성립되지 않을 수도 있는 미래를 생각해 좋은 미래를 만드는데 공헌하는 연구를 하고 싶다고 절실하게 바라게 된 이후의 동기이다.


겔 로봇을 연구한 당시, 또한 현재도 ‘이것으로 좋은 것이다!’라고 하는 생각과 ‘이것으로 좋은 것일까?’라고 하는 생각 사이에서 때때로 고민하면서 연구에 매진하고 있다. 이 글이 자문자답하면서 연구 개발과 사업화를 추진하는 분들과 함께 생각하는 하나의 씨앗이 되면 좋겠다.


겔 로봇의 연구를 어떻게 시작하게 됐는가


세상에 없는 재미있는 것을 만들고 싶다는 동기로 대학에 진학한 필자는 만들고 싶다고 생각한 것을 만드는 것을 통해, 물건을 만드는 기능을 몸에 익히게 됐다. 1995년에 당시 드물었던 박물관 웹사이트를 구축, 1996년에 비행선 로봇을 제작, 1997년에 두더지 규범형 로봇을 개발했다.


두더지 규범형 로봇의 개발은 졸업 연구로서 한 것인데, 이것은 지뢰를 파내는 것과 같이 인간이 위험해서 할 수 없는 것을 할 수 있는, 세상에 도움이 되는 기회를 만들고 싶다고 연구실 문을 두드린 필자와 부드러운 기계를 실현하고 싶다고 하는 지도교수의 의도가 절충된 것이다. 기구, 센서 등 개별 요소로서는 연구로서 추구해야 할 점이 포함된 것이었지만, 전체적으로 어중간한 것이 되어 대학원에 진학할 때에 ‘절충안이 아니라, 일관된 생각으로 연구 주제를 설정할 필요가 있다’고 이해했다.


부드러운 기계를 만든다고 하는 주제는 지도교수였던 도쿄대학 교수인 이노우에 히로미츠 선생이 연구 프로젝트를 추진한 일본학술진흥회 미래개척추진사업 ‘마이크로 메커트로닉스․소프트 메커닉스’ 영역의 주제 중 하나로서 들어지고 있던 것이다.


1998년 봄에 졸업 연구가 끝나고 같은 연구실에 진학할 예정으로 대학원 연구 주제를 생각하고 있었을 때, MIT 교수인 Ian Hunter 선생이 연구실을 방문해 전도성 고분자 로봇의 연구 구상에 대한 강연을 했다. 전도성 고분자는 센서도 액추에이터도 회로소자도 만들 수 있으므로 전신이 전도성 고분자로 이루어진 로봇을 만들 수 있을 것이라고 하는 내용이었다.


그 후, 연구실의 정례 연구회에서 지도교수가 “인공근육을 목표로 한 고분자 재료로서 최근 좋은 것이 나오고 있다. 내가 학생이었던 시절에는 로봇에 사용하는 것이 어려웠지만, 지금이라면 고분자 재료를 사용해 부드러운 로봇을 만들 수 있다고 생각한다. 그러한 연구를 하고 싶은 학생이 있으면 서포트하겠다”고 말했다. 부드러운 로봇은 아직 세상에 없다(1), 즉시 도움이 될지는 모르겠지만 세상에 도움이 될 것 같다(2)는 생각으로, 그 자리에서 “하겠습니다”라고 말한 필자는 이 주제를 학위 연구로 했다.


학위 논문이 서적이 된 겔 로봇의 연구


나중에 보니 겔 로봇의 책을 1권 쓸 수 있을 정도의 내용이 되었지만, 처음에는 어떻게 될지 예상이 되지 않았고 학회 발표를 하면 ‘학위 연구 주제로 하기에는 버거운 도전이다. 학위를 받지 못할 수도 있으니 좀 더 일반적인 주제로 하는 편이 좋다’고 하는 충고를 해주는 선배 연구자가 여럿 있었다.


지도교수는 ‘재료를 찾지 마라’, ‘움직이는 법을 연구해라’, ‘그 이외는 맘대로 해라’, ‘뼈대가 갖춰지면 받아 준다’고 말하며, 연구 환경을 만들어 주셨다. 필자는 별 기대 없이 느긋하게 연구를 했다.


재료는 당시 홋카이도대학 교수였던 나가타 요시히토 선생이 개발한 폴리아크릴아미드디메틸프로판술폰산(PAMPS) 겔을 이용하기로 했으며, 그 제조법을 나가타 연구실에서 배울 수 있게 조정해 주셨다. 재료는 직접 만드는 편이 좋다고 공작실의 한쪽 구석에 화학실험 설비를 소규모이지만 준비할 수 있게 해줘서, 약 숟가락 하나 없었던 곳에서 무엇이 필요한지 조사해 도구를 갖추고 드래프트 챔버 공사를 했다. 기계 공작과 전기 공작이 가능한 공작실의 한쪽 구석에 화학실험을 할 수 있는 공간을 만들 수 있게 해줘서 연구실 내에서 PAMPS 겔을 합성할 수 있게 됐다.


1998년 겨울의 일이다. 움직임을 예측할 수 없는 상태로서는 움직일 수가 없어, 이온 전도성 고분자 액추에이터(ICPF) 등 선행해서 전기-기계 모델이 제안되어 있는 고분자 재료를 참고로 PAMPS 겔의 변형 메커니즘 연구를 조사했다. 그 당시는 겔은 4가지 기본 힘의 균형으로 평형 상태가 결정된다고 하는 기초 이론을 바탕으로 정적인 상태 모델만이 제안되어 있었다. 이 모델에 기초해 용액 중의 계면활성제 분자의 분자량과 겔을 구성하는 고분자의 분자량을 결정하는 연구가 이루어지고 있었다. ‘어떻게 전압을 걸면, 어떻게 변형되는가’하는 기본적인 모델이 제안되어 있지 않다는 것을 알았다. 기본적인 변형의 구조와 관찰을 바탕으로 4가지 기본 힘 중에 지배적인 것은 정전기력이기 때문에 국소적인 전류 밀도 구배를 입력으로 하는 매우 간단한 흡착 해리 방정식으로 표현할 수 있다는 것을 알았다. 제안 모델에 기초한 시뮬레이션과 실험 결과가 일치하는 것으로부터 움직임을 제어할 수 있는 전망이 섰다.


1999년 여름 무렵이다. 여기서 겔 로봇의 운동학이라는 논문을 로보틱스에 관한 주요 국제회의 중 하나인 IEEE ICRA(International Conference on Robotics and Automation)에 투고해 채택됐다. 겔 로봇의 동역학, 역운동학, 역동력학이라는 논문을 매년 출판하는 목표를 세우고 겔 로봇 4부작 계획이라고 비밀리에 불렀는데, 실제로 달성할 수 있었다. 다음 해 이후의 논문에 대한 구체적인 내용은 계획 단계에서는 예측할 수 없었지만, 이 단면에서 문제를 설정해 풀면 기초 이론이 만들어질 것이라고 생각했다.


제안 모델에 의해 ‘평형 평판 전극 사이에 외팔보 모양으로 한쪽 끝을 고정한 다음 전압을 가하면 굴곡한다’고 하는 기존에 알려져 있던 움직임법을 사용하지 않아도, ‘겔 표면에 충분한 전류 밀도 구배가 겔의 법선 벡터와 평행하게 존재하면 변형을 일으킨다’고 하는 것을 알게 됐다. 그렇기 때문에 전극을 타일 모양으로 배치하고 그 아래에 겔을 배치하면, 자유 단의 상태로 전극 아래를 자유롭게 돌아다니게 할 수 있다고 깨닫고, ‘불가사리형 로봇의 다시 일어서는 동작을 만들어낼 수 있다’고 생각, 가능한 것을 확인했다. 이 결과를 2000년 여름에 이탈리아 베네치아에서 개최된 국제회의 Intelligent Autonomous Systems 6(IAS-6)에서 발표했으며, Robotics and Autonomous Systems지 특별호 논문으로 선정돼 겔 로봇 연구의 대표 논문이 됐다.


2003년에 제출한 학위 논문은 그 후 Springer Tracts in Advanced Robotics 시리즈의 한 권, ‘Modelling and Control of Electroactive Polymer Gel Robots’으로서 출판됐다. ‘새로운 재료가 미래에 제안됐을 때에도 도움이 되는, 자극 응답성이 있는 유연 재료로 유연한 기계를 구성하는데 필요한 사고의 과정을 PAMPS 겔을 이용해 겔 로봇을 개발하는 것을 한 예로 나타낸다’는 것을 의도했다.


소프트 재료, 소프트 로보틱스 연구가 진행된 오늘날에도 뭔가 참고가 될 내용을 포함한다고 생각하고 있다. 서적을 소개하는 웹사이트를 함께 제작했다. 겔 로봇이 움직이는 모습을 촬영한 동영상도 게재하고 있으므로 관심 있는 독자는 꼭 보기를 바란다. 또한, 이 서적은 학위 취득 후 연구 주제를 크게 바꿨기 때문에 여름휴가 때마다 조금씩 개정을 계속해 2008년 여름에 탈고하고, 2009년에 출판할 수 있었다.


2000년 전후의 고분자 액추에이터 연구 상황과 그 후의 전개


1990년대 말부터 2000년대 초에 걸쳐 로보틱스 분야에서 소프트 로보틱스 연구는 아직 활발하지 않았지만, 재료 분야에서 고분자 액추에이터의 연구, 이른바 인공근육의 연구가 활발하게 이루어졌다. 겔 로봇에 활용한 PAMPS 겔은 1992년에 Nature지에 게재돼 주목을 받았으며, 또한 2000년에는 유전 엘라스토머가 Science지에 게재됐다.


1990년대 초반 무렵 당시 공업기술원의 오구로 케이스케 선생이 ICPF을 발표했으며, 당시 고베대학 조교수였던 타도코로 사토시 선생이 재빨리 공동 연구로 모델링과 시스템화에 대응하고 있었다. 겔 로봇의 연구를 시작하는 계기가 된 Ian Hunter 선생의 연구 그룹이 굴곡하는 전도성 고분자를 구조에 의해 직동 액추에이터로서 구성하는 방법을 2000년에 보고했다.


1990년경에 보고된 재료는 그때까지 분 단위, 시간 단위의 응답성이었던 고분자 액추에이터 재료를 초 단위의 응답성으로 움직일 수 있게 한 점이 획기적이었다. 2000년경에 보고된 자료는 그것에 더해, 출력이 크고 기계의 일부로서 구성할 수 있게 된 점이 획기적이었다. 이상의 2가지 혁신과 3D 프린터 등의 가공 기술 혁신을 거쳐 고분자 액추에이터로 소프트 로봇을 구성하는 것이 현실적이 됐다고 할 수 있다.


그러한 가운데 1999년에는 NASA JPL의 Joseph Bar-Cohen 박사가 광학과 광통신학에 관한 국제회의 SPIE에서, 전기 반응성 고분자 액추에이터와 디바이스에 관한 회의 Electroactive Polymer Actuators and Devices(EAPAD)를 시작했다. 이후 매년 봄에 개최되고 있다.


분야의 상황을 살피기 위해 필자가 처음으로 참가한 국제회의가 1999년에 개최된 제1회 EAPAD이다. 제2회가 개최된 2000년에는 초기 연구를 발표했다. 2020년에는 제22회의 개최가 예정되어 있다. 이 국제회의와 연계해 연 2회 온라인 뉴스레터가 발행되고, 전기 응답성 고분자 액추에이터와 디바이스에 관한 최신 정보가 발신되고 있으므로 약 20년의 연구 흐름을 살펴볼 수 있다.


학위 연구 후의 전개


학위 연구는 결과적으로 학위를 취득할 수 있는 연구가 됐다. 하지만 주제가 너무 새로워 동일한 주제로 계속할 수 있는 연구실을 찾는 것이 어려웠다. 겔 로봇 연구의 계기가 된 MIT의 Hunter 선생의 연구실도 컨셉트로서는 전도성 고분자 로봇을 제안하고 있었지만, 실제로는 전도성 고분자 액추에이터로서의 성능을 높이는 연구를 대학원생이 혼자서 하고 있는 것일 뿐, 연구실의 주제로서 주력하고 있는 상황은 아니었다. 재료계 연구실에 유학해 새로운 재료를 개발하는 방향도 있을 수 있지만, ‘세상에 없는 재미있는 것’이라는 생각으로 ‘겔 로봇을 만든다’는 것을 생각했으므로 ‘재료를 만든다’는 것 자체를 정말로 하고 싶은 것인가, 또한 내 장점을 살릴 수 있는가를 생각해, 주제를 인공근육에서 인간의 근육, 그리고 인간의 근육을 제어하는 신경계의 모델링을 통해 인간의 내부 상태를 추정하는 기술 개발로 바꾸어 도전하기로 했다.


학위 취득 후 현재의 연구 주제에 몰두하기까지는 인연이 있어 참가하게 된 프로젝트와 조직의 미션에 기초해 그 미션에 따라 생각하고, 거기서 새로운 연구 주제를 고안해 필요한 지식과 기술을 흡수하면서 실시해 갔다. 겔 로봇의 연구로 시작돼 다른 연구 주제에 매진한 2003년부터 2012년까지의 연구 경과는 부드러운 기계와 기회를 만든다에 기록했다.


또한, 현재의 연구 주제인 인지 행동 지원 기술의 연구에 대해서는, 시작한 2006년부터 2016년까지의 연구 경과를 인지증의 예방과 지원에 도움이 되는 인공지능과 고령자와 함께 만드는 인지증 예방 지원 서비스 개발에 기록했다. 이하, 이 주제로 연구하게 된 계기와 2019년 현재의 생각과 이에 기초하는 연구 활동에 대해 설명한다.


인지 행동 지원 기술의 연구


겔 로봇의 연구에 몰두하고 있던 시절, 할머니가 인지증을 앓게 된 사건이 있었다. 연구실에서는 로봇을 똑똑하게 만드는 방법에 대한 연구가 이루어지는 가운데, 할머니는 현명함을 나날이 잃어가는 것을 목격하고 로봇이나 기계를 똑똑하게 하는 동시에, 인간을 현명하게 하는 혹은 인간의 현명함이 손실되지 않도록 하는 기술이 필요하다고 느끼고 있었다.


할머니는 이후 10년 이상에 걸쳐 간병시설에 계속 입원해 계셨다. 간병이 필요한 고령자가 앞으로 늘어날 것으로 예상되며, 사회보장 제도가 파탄되는 것을 리얼하게 실감했다. 그래서 2006년에 연구실을 주재하는 기회를 얻어, 장기적인 주제의 하나로서 인지증 예방 지원 서비스를 연구하기로 했다. 소속 조직의 미션으로서 당시 주목을 받고 있던 서비스 공학, 서비스 사이언스라는 분야의 연구 주제를 설정하게 되어, ‘앞으로 필요하게 될 사회 과제를 해결하는 서비스를 실제로 만드는 것을 통해 서비스 제작법을 나타낸다’고 하는 겔 로봇 연구일 때에 지향한 진행 방식으로 연구를 추진하기로 한 것이다. 세상에 좋은 영향을 주는 물건, 사고, 구조를 만들고 싶다(3)고 하는 생각에 의한 연구는 여기에서 시작됐다.


인지증을 예방하는 방법, 보다 구체적으로는 노화에 따른 인지 기능 저하를 늦추는 방법을 조사해 가면, 크게 나누어 생리적 어프로치와 인지적 어프로치로 대별되며 특히 인지적 어프로치 중에서도 사회적 교류, 즉 적절한 사람과의 상호 작용이 인지 기능 유지에 효과적이라는 식견을 얻었다. 그러나 사회적 교류는 관찰 연구가 대부분으로, 개입 연구가 매우 적다. 그 이유는 개입 방법이 확립되어 있지 않기 때문이라는 것을 알았다.


인간의 내부 상태를 추정하는 연구 중에 대화는 인간의 뇌, 인지 활동의 출력이며, 또한 동시에 입력이기 때문에 인지 기능 유지를 목적으로 하는 개입방법으로서 대화를 지원하는 방법, 기술을 개발한다고 하는 아이디어를 얻었다. 대화의 구성 요소인 말하기, 듣기, 질문하기, 대답하기를 확실하게 할 수 있도록 a) 참가자의 제한 시간을 설정한 후에 확실하게 전원이 말할 수 있도록 사전에 주제를 설정하고, b) 참가자가 주제를 따른 사진을 가지고 모여 대화를 하는 대화 지원 방법 ‘공상법’을 제안했다. 언뜻 당연한 규칙으로 보이지만, 노화와 함께 저하하기 쉬운 인지 기능을 활용하도록 설계되어 있으며, 이미 인지 기능이 저하된 고령자는 이 규칙에 따른 대화가 곤란하다.


2017년에는 그 전년에 이화학연구소에 설립된 혁신지능통합연구센터에 팀장으로 부임해, 인지 행동 지원 기술팀을 설립했다. 인지증 예방 방법은 아직 확립되어 있지 않지만, 노화에 따른 인지 기능 저하를 억제해 발병 위험을 낮추기 위해 가능한 것은 확실히 존재한다. 특히 사회적 교류에 관해 유효한 개입방법으로서 ‘공상법’을 들 수 있는 상태로 만들기 위해서는 많은 개입 연구에 의한 증거가 필요하다. 이것은 틈틈이 해서는 어렵기 때문에 연구를 본업무로 하는 연구소에서 연구하는 기회를 최대한 활용하려고 이동을 결의했다. 팀명은 인지 기능의 유지 관점에서 ‘한다’면 좋은 것을 확실히 하도록 사물의 외관, 사고, 행동, 즉 적절한 ‘인지’와 ‘행동’을 ‘지원’하는 ‘기술’을 개발하는 것을 의도해 이름 붙였다.


이화학연구소에서는 공상법에 입각한 사업과 산업으로 이어지는 새로운 기술을 창출하는 연구에 관한, 2016년에 실시한 기획 조사를 통해 얻은 세 가지 연구 과제를 실시하고 있다. 제1은 증거 수집으로, 랜덤화 대조군마다 비교시험을 실시한다. 제2는 대화 지원 AI에 입각한 인지 행동 지원 시스템의 개발로, 그룹 대화 지원 로봇과 대화 로봇 및 이를 위한 소프트웨어 시스템으로 구성된다. 제3은 평가 방법의 개발로, 생리, 행동 데이터에서 인지 기능의 미세한 변화와 저하의 조짐을 검출하는 해석 기술을 개발해 왔다. 겔 로봇의 연구에서는 물질과 기계의 유연성을 다루고 있는 것에 대해, 인지 행동 지원 기술의 연구에서는 인지와 사고의 유연성을 다루고 있으며 그 본질은 공통된다.


소프트 로보틱스에 대한 기대


소프트 로보틱스는 현실 사회의 과제 해결의 토대가 되는 연구 영역이 될 수 있다고 생각한다. 이 글에서는 초고령 사회의 과제 해결에 도움이 되는 구체적인 기술로서 간병의 생력화, 무인화 혹은 간병 자체를 필요로 하지 않는 자립 지원에 이바지하는 기술을 다루고 싶다. 간병에는 필요에 따라 힘을 발생시키는 것과 부드러움을 변경함으로써 안전을 확보하는 것이 동시에 요구되기 때문이다. 액추에이터뿐만 아니라 기구나 시스템화 등 다각적인 어프로치에 의해 불가능하지 않다고 생각한다.


필자는 인지증 예방 기술의 개발을 통해 간병이 필요한 고령자의 비율, 나아가 절대수를 줄이는데 이바지하는 기술, 서비스, 사업, 산업을 구상하고 있는데, 실현에는 아직 시간이 필요하다. 그 동안에도 간병을 필요로 하는 고령자의 수는 계속 증가한다. 간병 인력은 현재도 부족하지만, 앞으로 더 부족할 것으로 예상되고 있다. 이것은 일본뿐만 아니라 개발도상국을 포함한 전 세계의 거의 모든 지역에서 동일한 과제가 시간차로 발생할 것으로 예상되고 있다.


간병을 매우 적은 인력 혹은 무인으로, 인건비에 적합한 코스트로 실현하는 기술이 있으면, 앞으로 기술을 필요로 하는 전 세계에 제공할 수 있는 큰 산업을 창출할 수 있다. 이러한 기술을 소프트 로보틱스의 유망한 출구로서 현장과 연계해 실용화를 추진하면서 많은 연구자들이 동참하게 되기를 기대하고 있다.


오오타케 미호코, 이화학연구소 혁신지능통합연구센터










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