美 남캘리포니아대, 멜로디만 듣고 바로 피아노 연주하는 로봇 손 개발

▲USC 연구팀이 소리를 듣고 피아노를 칠 수 있는 로봇 손을 개발했다 (사진=USC)

미국 남캘리포니아대(USC) 연구팀이 별도의 악보나 사전 프로그래밍 없이, 소리를 듣고 피아노를 연주할 수 있는 혁신적인 로봇 손 ‘뮤지션 핸드(Musician Hand)’를 개발했다.

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이 로봇 손은 2분 정도 피아노 건반을 무작위로 누르면서 손의 움직임과 음의 관계를 익힌 후 멜로디를 연주 동작으로 재현할 수 있다.

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연구팀은 이 기술이 음악 연주를 넘어 재활 치료, 의수·의족, 파킨슨병 환자 보조기기 등 차세대 의료·로봇 기술에 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.

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이번 연구 성과는 학술지인 ‘로열 소사이어티 인터페이스 저널(Journal of the Royal Society Interface)’에 게재됐다. (논문 제목:Perception in action: a robotic system that can teach itself to melodiously play music by ear)

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이번에 개발된 뮤지션 핸드는 악보나 대규모 학습 데이터 없이, 2분 정도 무작위로 건반을 누르며 음과 움직임의 관계를 스스로 익혔다. 이후 처음 듣는 약 30개 음표 분량의 멜로디를 한 번 듣고 재현하는 데 성공했다.

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뮤지션 핸드는 소형 전기 모터로 동작하는 4개의 ‘힘줄 구동(tendon-driven)’ 손가락으로 구성돼 있다. 신경망이 멜로디의 소리를 분석하고 이를 재현하는 데 필요한 운동 명령으로 변환하는 역할을 한다.

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뮤지션 핸드는 방대한 프로그래밍과 대규모 학습 데이터에 의존하는 기존 로봇과 달리, '운동 옹알이(motor babbling)'라고 부르는 과정을 통해 학습했다. 유아가 팔다리를 움직이며 몸의 움직임을 제어하는 법을 익히는 탐색 과정과 유사한 방식이다.

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연구팀은 로봇 손의 연주와 4명의 피아니스트 연주를 두 명의 심사위원에게 블라인드 방식으로 들려줬다. 평가 결과 일부 심사에서 로봇 손과 인간 연주자의 연주를 구별하지 못했다.

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발레로-쿠에바스(Valero-Cuevas) 교수는 "전통적인 로봇공학의 아킬레스건은 완벽한 정보가 있어야만 행동할 수 있다는 가정"이라며 "동물은 그렇게 작동하지 않는다. 인지하고, 대부분 올바르게 추측하며, 적응한다"고 말했다.

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연구팀은 이 접근법을 '지각 로봇공학(perceptual robotics)'이라고 명명했다. 이 방식은 시스템이 주변 환경을 인식하고, 스스로 움직임을 실험하며, 방대한 학습 데이터 없이도 오류를 수정해 나가는 프레임워크를 의미한다. 연구팀은 이러한 접근 방식이 향후 현재의 작업 중심 로봇보다 훨씬 더 개인적이고 직관적인 방식으로 인간을 도울 수 있을 것이라고 설명했다.

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연구팀은 향후 이 기술을 파킨슨병 등 환자의 재활 보조에 활용할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 진단 초기에 환자가 외골격(exoskeleton)을 착용하면 로봇이 며칠간의 훈련만으로 해당 환자 고유의 보행·동작 방식을 학습하고, 병이 진행될수록 환자의 움직임을 보조할 수 있다는 설명이다.

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이번 연구는 미국 국립과학재단(NSF)과 방위고등연구계획국(DARPA)의 지원을 받아 수행됐다.

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백승일 기자 robot3@irobotnews.com

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