美 노스웨스턴대, '운동 지능' 갖춘 모듈형 로봇 개발

▲'다리형 메타머신(legged metamachines)

미국 노스웨스턴대 연구팀이 세계 최초로 '운동 지능(athletic intelligence)'을 갖춘 모듈형 로봇 '다리형 메타머신(legged metamachines)'을 개발했다고 밝혔다.

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이번 연구 성과는 지난 6일 국제 학술지 ‘미국국립과학원회보(PNAS)’에 게재됐다. (논문 제목:Agile legged locomotion in reconfigurable modular robots)

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다리형 메타머신은 레고 블록처럼 자유롭게 결합·분리할수 있는 자율 모듈로 구성돼 있다. 각 모듈은 자체 모터, 배터리, 컴퓨터를 갖춘 독립적인 로봇으로, 단독으로도 구르고 도약할 수 있다. 그러나 진정한 민첩성과 강인함은 여러 모듈이 결합될 때 드러난다. 모듈들이 연결되면 물개처럼 파도치듯 움직이거나, 도마뱀처럼 도약하거나, 캥거루처럼 튀어오르는 등 다채로운 운동 형태를 구현할 수 있다.

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연구팀은 가장 효과적인 모듈러 로봇의 조합을 찾기 위해 '자연선택(적자생존)'을 모방한 진화 알고리즘을 활용했다. 알고리즘의 핵심에는 중앙 구체(sphere)로 연결된 약 50cm 길이의 모듈형 다리에 있다. 구체 내부에는 회로 기판(신경계), 배터리(신진대사), 모터(근육)가 탑재돼 있다. 알고리즘은 모듈을 다양하게 조합해 새로운 신체 유형을 생성하고, 시뮬레이션을 통해 성능이 우수한 설계는 남기고 열등한 것은 제거하는 과정을 반복적으로 수행했다. 그 결과 인간 공학자라면 결코 떠올리지 못했을 낯선 형태의 '신종' 로봇들이 탄생했다.

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이렇게 진화한 로봇들은 야외 실증 테스트에서도 뛰어난 성능을 입증했다. 연구팀이 조립한 3족·4족·5족 메타머신은 자갈, 잔디, 나무뿌리, 모래, 진흙, 울퉁불퉁한 벽돌 등 다양한 험준한 지형을 극복하면서 주행했다. 별도의 사전 설정이나 재학습 없이도 도약하고, 공중 회전을 하고, 뒤집혀도 스스로 자세를 바로잡았다.

▲연구팀이 다양한 로봇의 형태를 테스트하고 있다. (사진=노스웨스턴대)

메타머신의 가장 두드러진 특징은 '손상시 회복 능력'이다. 다리 하나가 떨어져 나가도 나머지 모듈이 즉시 적응해 이동을 계속한다. 분리된 다리 모듈도 스스로 굴러 전체 로봇 구조에 다시 합류할 수 있다. 반으로 잘리거나 여러 조각으로 절단되어도 각 모듈이 독립 개체로 기능하며 살아남는다. 이는 부품 하나가 고장 나면 사실상 작동이 멈추는 기존 로봇과 근본적으로 다른 점이다.

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연구를 이끈 샘 크리그만(Sam Kriegman) 노스웨스턴대 교수는 "이 로봇들은 컴퓨터 안에서 진화한 뒤 야외에 첫발을 내딛은 최초의 로봇"이라며 "빠르게 조립되고 말 그대로 땅에 닿는 순간부터 달린다"고 말했다. 그는 "수십억 년의 진화를 단 몇 초로 압축했다. 이것은 컴퓨터로 가속화되고, 운동 능력을 갖춘 모듈형 빌딩 블록으로 현실화된 적자생존"이라고 설명했다.

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이번 연구는 크리그만 교수 팀의 기존 성과를 바탕으로 진화 발전된 것이다. 앞선 연구에서 연구팀은 AI가 로봇을 처음부터 자동 설계하는 알고리즘을 세계 최초로 구현했다. 하지만, 당시 로봇은 테이블 위를 걷는 수준에 그쳤다. 크리그만 교수는 "이전 로봇들은 자신의 신체를 감지하거나 스스로 조율하지 못했지만, 진화가 어떻게 작동하는지, 그 교훈을 유용한 기술로 어떻게 구현할지에 대해 많은 것을 가르쳐줬다"고 말했다.

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연구팀은 이번 연구 성과가 단순히 살아남는 로봇을 넘어 스스로 적응하는 로봇의 새로운 범주를 열었다고 평가했다. 부서지기 쉬운 사전 설계 도구가 아닌, 회복력을 갖춘 진화하는 생명체에 가까운 로봇의 미래를 향한 첫걸음이라는 것이다.

 

백승일 기자 robot3@irobotnews.com

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