전자장치 없이 보행하는 로봇 등장

[금요 포커스] 압축 공기만으로 주인 명령에 따라 움직여

지난여름, 뉴욕주와 플로리다주 등 미국의 몇몇 주들은 로봇 제조업체와 협력해 코로나19로 장기간 고립된 생활을 하고 있는 노인들에게 반려동물 로봇을 제공하는 시범 사업에 나섰다. 요양원의 가족 방문마저 제한되고 있는 상황에서 반려동물 로봇으로 노인들의 외로움을 덜어주겠다는 취지에서였다.

케임브리지대학 연구진의 최신 연구 결과에 의하면, 반려동물 로봇은 실제 반려동물만큼이나 외로움을 줄이는 데 효과가 있는 것으로 나타났다. 연구진은 코로나19 같은 전염병이 유행하는 상황에서는 반려동물 로봇이 오히려 더 적합할 수도 있다는 의견도 내놓았다. 로봇의 경우 반려견처럼 산책시키기나 배설물 치우기 등을 하지 않아도 되기 때문이다.

미국 UCSD 연구진은 전자장치 없이도 네발로 걸어 다닐 수 있는 로봇을 개발했다. ©University of California San Diego

그런데 전자장치 없이도 네발로 걸어 다닐 수 있는 ‘소프트 로봇’이 미국에서 개발돼 주목을 끌고 있다. 이 로봇은 압축 공기를 공급하기만 하면 제어장치와 이동 시스템을 포함한 모든 기능을 작동시킬 수 있는 것으로 알려졌다.

소프트 로봇은 딱딱한 금속이 아니라 폴리머, 고무 등과 같이 유연하고 신축성 있는 소재로 만든 로봇을 말한다. 소프트 로봇이라 할지라도 전자 회로에 의해 제어되므로 회로 기판 등의 복잡한 부품을 필요로 한다. 로봇의 뇌와 신경계를 구성하는 이런 부품들은 보통 부피가 크고 비싸기 마련이다.

하지만 이번에 개발된 로봇은 튜브와 소프트 밸브로 구성된 가볍고 저렴한 공압 회로 시스템에 의해 제어된다. 그럼에도 이 로봇은 명령에 따라 걸을 수도 있으며 환경에서 감지된 신호에 반응하여 움직일 수도 있다.

탄광 갱도 속에서도 작동 가능해

미국 샌디에이고 캘리포니아대학(UCSD)의 마이클 톨리(Michael Tolley) 교수팀이 개발한 이 로봇에 대한 상세한 연구 결과는 국제 학술지 ‘사이언스 로보틱스’ 2월 17일 자에 게재됐다.

이 로봇은 장난감과 같은 엔터테인먼트용 저가 로봇용으로 사용될 수 있으며, MRI나 탄광의 갱도처럼 전자제품이 작동할 수 없는 환경에서도 이용할 수 있다는 장점을 지닌다. 특히 소프트 로봇은 환경에 쉽게 적응하고 사람 가까이에서 안전하게 작동하므로 반려동물 로봇으로 안성맞춤이다.

이번 연구를 이끈 마이클 톨리 교수는 “공기로 움직이는 가장 단순한 신경계를 만드는 것이 우리 연구의 초점이었다”며 “하지만 여러분은 이 방식을 이용해 두뇌를 가진 매우 복잡한 로봇도 만들 수 있다”고 말했다.

톨리 교수팀이 개발한 로봇은 뇌가 아닌 척추의 신경 반응에 의해 움직이는 포유류의 반사 신경을 모방한 것으로 알려졌다. 즉, 걷기와 달리기 같은 움직임을 제어하기 위해 리드미컬한 패턴을 생성할 수 있으면서도 매우 단순한 요소들로 구성된 ‘운동 발생 중추(central pattern generator)’라고 불리는 동물의 신경회로에서 영감을 받은 것이다.

연구진은 발전기의 기능을 재현하기 위해 오실레이터 역할을 하는 밸브 시스템을 구축했다. 오실레이터란 전기적 진동을 만들어내는 장치인데, 이 밸브 시스템에서 가압된 공기가 로봇에 달린 네발의 근육으로 들어가게 된다.

연구진은 이때 공기 주입을 지연시켜 로봇의 걸음걸이를 조정하는 혁신적인 부품을 만들었다. 로봇의 걸음걸이는 ‘옆목거북(sideneck turtle)’에게서 영감을 받은 것으로 전해졌다.

벽에 닿으면 반대 방향으로 보행

또한 이 로봇에 장착된 네 개의 다리는 각각 세 개의 근육에 의해 움직일 수 있어 세 개의 자유도를 지니고 있다. 자유도란 관절에서 허용되는 독립적인 움직임의 수를 말한다.

아래를 향해 45도 각도로 기울어진 다리에는 병렬로 연결된 세 개의 원통형 챔버가 있는데, 이 챔버에 압력이 가해지면 네발이 반대 방향으로 구부러지게 된다. 연구진은 각 다리에 있는 챔버를 대각선으로 교차시켜 제어 문제를 단순화했다.

이 로봇은 센서가 있어서 벽에 닿을 경우 반대 방향으로 걸을 수 있다. ©UCSD(Science Robotics)

또한 소프트 밸브는 네 다리의 회전 방향을 시계 반대 방향과 시계 방향으로 전환시킬 수 있다. 이 같은 메커니즘은 두 개의 신경이 뇌에서 연결을 바꾸는 것과 유사하다.

연구진은 표면이 고르지 않은 자연적인 지형에서도 걸을 수 있는 로봇으로 개선하려는 연구를 계속할 것이라고 밝혔다. 이를 위해서는 좀 더 정교한 센서 네트워크와 좀 더 복잡한 공기 압축 시스템이 필요하다.

거기에다 기존의 전자 회로를 추가할 경우 보행과 같은 기본 기능은 공기만으로 움직이면서 주인의 여러 가지 명령도 척척 수행할 수 있는 첨단 반려 로봇이 탄생할 수 있다.

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