인간형 로봇 디자인의 진보는 인간에게 어떤 변화를 가져다주는가
기차역에 도착하고 나서야, 다음 기차가 15분 뒤에 온다는 사실을 알게 되는 것은 우리에게 익숙한 일이다. 그러나 오래 기다리는 대신 자전거를 타는 로봇을 탈 수 있다면 어떻게 될까? 독일의 한 연구 프로젝트에 따르면 이런 일은 언젠가 현실이 될 수 있다고 한다.
로보이 2.0 (Roboy 2.0)은 독일 뮌헨공과대학교(TUM, Technical University of Munich)의 야심 찬 학제 간 프로젝트로, 인간과 가장 유사한 로봇을 설계하는 것이 목표다. 로보이는 이미 자전거 페달을 밟는 것은 물론, 악수와 대화도 할 수 있다. 필요한 동력을 고려할 때 로봇에게는 매우 복잡한 과제인 실로폰도 칠 수 있다.
로보이 2.0은 지난 여름에 스탠드에서 아이스크림을 서빙했으며 2020년에는 기본적인 의료 진단을 수행할 수 있게 될 것이다. 이 연구는 완전한 오픈 소스이며 향후 로보틱스, 의료 서비스, 인공지능(AI), 시청각 데이터 프로세스 개발 등의 기초가 될 것이다.
6년 이상 로보이 프로젝트를 이끈 라파엘 호스테틀러(Rafael Hostettler) 제너럴 매니저는 “우리의 목표는 정확히 인간의 몸처럼 작동하는 인간형 로봇을 만드는 것이다”라며, “인간형 로봇이 우리처럼 보고 듣고 반응하는 등 인간처럼 움직이기를 바란다”라고 말했다.
이를 위해 다양한 분야를 전공한 100명 이상의 전현직 TUM 학생들로 구성된 팀이 전 세계 과학자 네트워크와 함께 로봇을 개발하고 있다. 여기에는 스톡홀름 KTH 왕립 공과대학(신경보철), 홍콩 중문 대학(로봇 제어 알고리즘), 옥스퍼드 대학(인조 힘줄의 성장에 따른 하중), TUM(로보틱스, 실시간 시스템, 제품 개발 방법) 등이 참여하고 있다.
로보이는 신경 과학, 컴퓨터, 뇌 관련 의학을 더 발전시키기 위한 유럽 플래그십 이니셔티브(European flagship initiative)인 인간 두뇌 프로젝트(Human Brain Project)의 일환이다. 로보이는 복잡하고 비선형이며 환경에 따라 다양한 반응을 하는 생물체와 유사하기 때문에, 신경과학자가 로보이와 인체 시스템의 유사성을 고려하면 의미 있는 통찰력을 얻을 수 있을 것이다. 호스테틀러 매니저는 로보이 프로젝트가 “신경과학 연구를 통합하는 데 필요한 기반시설을 제공하고 장기적으로는 인간 두뇌에 대한 이해를 통합”할 수 있다고 전했다.
덩치는 줄이고 민첩성은 높여
이렇게 상세하게 인체를 기계적으로 재생산할 때는 큰 비용이 든다. 엔지니어는 로봇 구조에서 흔히 볼 수 있는 것처럼 관절만 모터로 교체하는 것이 아니라 3D 프린팅, 제너레이티브 디자인(generative design), 기타 프로세스 등의 첨단 기술을 사용해서 뼈, 근육, 힘줄을 복제한다.
호스테틀러 매니저는 “로보이는 소위 근육 단위를 사용하여 인간의 근골격계를 모방한다. 이렇게 하면 로보이를 제어하기 훨씬 힘들지만 인간의 몸과 유사하게 모방할 수 있으며 이식물이나 인공 기관같이 인체와 융합될 수 있는 로봇 및 로봇 부품뿐 아니라 인체와 호환될 수 있는 로봇(예: 외골격)을 만들 수 있는 방법에 대해 귀중한 통찰력을 얻을 수 있다”고 말했다.
뼈와 비슷한 부품의 구조, 무게, 구성 요소가 중요한 역할을 한다. 오토데스크 Fusion 360(퓨전 360)의 제너레이티브 디자인 기능성은 과학자들이 안정성을 유지하면서 중요한 구성 요소의 무게를 크게 줄일 수 있도록 돕는다.
호스테틀러 매니저는 “손에서 약간의 무게라도 줄일 수 있다면 고관절이 견뎌야 하는 힘이 줄어들고 이 부분의 무게도 줄일 수 있다. 이렇게 되면 다른 모든 부품의 무게도 줄일 수 있고 로보이를 더 민첩하게 만들 수 있다”라고 전했다.
로보이의 목표는 독립적으로 걷는 방법을 배우는 것이다. 그리고 로보이가 첫 발걸음을 떼기 위해서는 제너레이티브 디자인을 통해 얻을 수 있는 견고한 경량 프레임이 필요하다.
호스테틀러 매니저는 “일반적으로 제너레이티브 디자인이 적합하다는 것을 보여주는 두 가지 주요 동인이 있다. 첫 번째는 특히 헤드 셸 같이 무게 중심에서 멀리 떨어진 부분이나 여러 방향에서 힘을 받으며 원래 부피가 꽤 큰 고관절 부분 등의 무게를 줄일 수 있다. 두 번째로는, 많은 부품을 하나로 통합할 수 있는 부분에서는 여전히 제너레이티브 디자인을 가장 효과적으로 활용하는 방법을 모색하고 있다”라고 말했다.
제너레이티브 디자인은 현재 고관절 개발에 사용되고 있다. 클라우드에서 계산이 가능해진 덕분에, 팀은 초기 프로토타입을 개발하는 데 3일밖에 걸리지 않았다. 제너레이티브 디자인은 두개골 뒷부분 개발에 사용될 예정이며 척추 및 로보이의 가동 소자는 중기적으로 최적화될 것이다.
빠른 프로토타이핑을 위한 3D 프린팅
Fusion 360 설계는 3D 프린팅 프로세스에 직접 사용할 수 있으며 생성된 파일은 3D 프린팅 객체로 문제없이 바로 전환될 수 있다. 로보이 2.0의 부품 대부분은 플라스틱과 유사한 물질을 사용해 레이저 소결과 3D 프린팅으로 제작했다.
호스테틀러 매니저는 “기존의 밀링 부품은 납품하는 데 약 6~8주가 소요되는데, 이는 신속하게 진행해야 하는 제품 개발 과정에서 너무 많은 시간을 차지한다. 우리는 일반적으로 그 정도의 기간에 3개나 4개의 새로운 버전을 개발한다”라고 말했다.
3D프린팅은 기하학적으로 자유롭기 때문에 생산 제한에 따른 어떠한 제약도 없이 구성요소를 설계할 수 있다. 제작에 도구가 필요 없기 때문에 시간과 비용도 절감된다.
인간 신체 2.0
로보이 2.0의 주요 목적은 연구와 혁신이었고 로보이 개발에서 습득된 지식은 이미 다른 분야에 영향을 미치고 있다. 호스테틀러 매니저는 “로보이의 근골격계 특성은 신경과학 외의 영역에서 일반적으로 사용되는 것보다 생물학적으로 인간의 몸과 더 합리적인 연관성이 있는 모델을 만들 수 있다”라고 말했다.
그렇기 때문에 이 모형은 혁신적인 인공 기관을 개발하는 데 매우 귀중한 역할을 했다. 또한, 신경과학자들은 인체가 600개가 넘는 근육의 상호작용을 어떻게 조정하는지 이해하기 위해 로보이 2.0 프로젝트에서 얻은 지식을 이용하고 있다.
호스테틀러 매니저는 “로보이에는 우리가 생체의 통제를 억누르기 위해 가지는 것과 동일하게 복잡한 특징들이 생긴다. 로보이 같은 로봇은 역학적 원리 자체가 매우 다르다. 어떤 생물학적 시스템보다도 훨씬 단순한 산업용 로봇과 대조적으로 조종할 수 있다면 훨씬 더 강력한 검증이 될 것이다”라고 말했다.