maxon Story
친구로서의 화석
다리가 있는 로봇을 걷게 하는 일은 보이는 것처럼 그리 간단하지 않습니다. 모든 관절의 동작을 조정하여 실제 동물에 가까운 부드러운 동작을 수행하려면, 고급 엔지니어링이 필요하고 움직이는 동물을 주의 깊게 관찰해야 합니다. 하지만, 3억년 전 멸종한 동물이어서 그 동물이 어떻게 생겼는지 또 어떻게 움직이는지 정확히 알지 못한다면 어떻게 해야 할까요?
이는 공룡이 존재하기 수백만 년 전에 살았던 초기 네발동물인 오로바테스 팝스티(Orobates pabsti)의 이야기입니다. 2004년, 오로바테스 팝스티의 화석화된 뼈가 오늘날의 독일에서 발견되었습니다. 화석화된 뼈의 우수한 보존 상태는 거의 완전하고 관절이 잘 연결되어 있으며, 또 이 지역에서 발견된 화석화된 발자국으로 더 완전해졌습니다. 이러한 발견은 EPFL의 바이오 로보틱스 실험실(토미스라프 호르밧(Tomislav Horvat) 및 아우케 리스페르트(Auke Ijspeert)와 공동 작업)의 필자와 같은 엔지니어와 훌륭한 생물학자 팀(베를린 훔볼트 대학교의 존 니야카투라(John Nyakatura) 교수팀)이 로봇을 사용하여 이동을 재구성하는 데 도움이 되었습니다.
하지만 오로바테스의 이동이 중요한 이유는 무엇일까요? 오로바테스는 육상 척추동물(우리와 같은 인간 포함)의 진화 과정을 이해하는 데 이상적인 후보입니다. 이러한 동물은 수륙 양용 생활 방식에서 육지에 알을 낳을 수 있는 육상 척추 동물로의 전환을 나타냅니다. 이로 인해 이러한 동물은 파충류, 조류 및 포유류를 포함한 더 진화된 동물과 양서류 사이의 진화 나무에 배치됩니다. 오로바테스가 육지를 걸을 수 있는지 여부는 연구해야 할 중요한 과제일 것입니다. 예를 들어, 마침내 동물이 마른 땅에 이주하였던 시기와 관련된 논쟁에 실마리를 제공합니다. 살아있는 동물을 이용한 이동 실험은 어렵지만, 멸종된 동물을 이용한 실험은 사실상 불가능합니다. 저희는 오로바테스의 이동을 객관적으로 재구성할 방법을 찾아야 했습니다. 컴퓨터 시뮬레이션이 재구성에 좋은 도구라고 생각했지만 다리를 이용한 이동은 시뮬레이션하기 어렵습니다. 지면과 다리의 간헐적 충격, 접촉 마찰 및 오로바테스라는 이동체의 전반적인 동역학이 타당하려면 실세계의 검증이 필요했습니다. 그리하여 저희는 오로바테스 화석을 실제 로봇으로 재구성하였습니다. 이 로봇은 화석보다 두 배 정도 큰 버전이었습니다. 로봇이 움직여야 하는 속도와 같이 질량 분포 및 기타 다른 동적으로 관련된 매개변수는 생물학적 및 공학적 의미를 갖기 위해 철저하게 연구하였습니다.
이 로봇을 제작하면서 저희는 오로바테스가 살아 있을 당시 실행했을 것으로 추정되는 여러 걷는 모습을 테스트할 수 있었습니다. 그리고 오로바테스와 유사한 형태를 띤 도롱뇽, 카이만, 이구아나, 스킹크와 같은 현대의 다른 동물을 관찰했습니다. 이로써 그들의 걸음걸이가 몸 높이, 척추의 운동 범위에 따라, 그리고 몸을 돌릴 때 다리 회전에 따라 다르다는 것을 파악했습니다. 이러한 특성으로 인해 살아있는 동물의 데이터와 로봇의 가능한 보행을 비교할 수 있는 공간이 만들어졌습니다. 저희는 이 공간에서 여러 걸음걸이를 테스트하여, 살아있는 동물과 유사한 힘의 패턴을 사용하고, 발자국과 일치하는 정확도가 높은 가장 안정적이고 에너지 효율적인 걸음걸이를 찾으려 했습니다. 그 결과, 오로바테스가 걸을 때 가장 많이 나타낸 걸음걸이가 카이만의 걸음걸이와 상당히 유사하다는 것을 발견했습니다. 이것은 초기 네발 동물에 대해 생각했던 것과 비교하여 그들의 이동이 다소 발전했음을 시사합니다.
아프리카 현장 테스트
로봇을 이용한 테스트도 멋진 경험이었습니다. 살아 있는 것 같았습니다. 이 기계를 제어하려면 다리와 척추의 동작을 조정하기 위해 역운동학 및 역학적 문제를 해결해야 했습니다. 원활한 이동을 수행하기 위해 로봇의 온보드 컴퓨터는 초당 약 100회의 속도로 모터에 명령을 보냅니다. 사용된 액추에이터는 강력하고 효율적인 맥슨의 DC 모터로 구동됩니다. 다리 하나당 5개와 척추에 8개, 총 28개의 액추에이터를 사용했습니다. 복잡하고 실제 동물에 가까운 로봇이 이렇게 다양한 동작을 모두 수행하도록 제어된 적은 거의 없었습니다.
저희는 몸을 쭉 뻗는 자세를 취하는 자세 로봇을 설계하고 제어하는 경험을 쌓으며, 오로바테스의 로봇을 제작했습니다. 도롱뇽 로봇 플로로봇(Pleurobot: 잡지 Driven, 2018년도 참조)의 제작으로 과학적 임무를 수행한 후, 나일 악어와 왕도마뱀의 걸음걸이와 형태에서 영감을 얻어 현장에서 그러한 로봇을 두 대 제작하여 테스트하였습니다. 저희는 BBC와 함께 아프리카에서 야생동물 다큐멘터리를 촬영했습니다. TV 시리즈 Spy in the Wild에서는 나일강 유역에서 야생 동물에 둘러싸인 당사의 로봇을 크게 다루고 있습니다. 이 로봇은 극한의 환경 조건에서 2주간의 치열한 촬영을 견뎌냈으며, 복잡한 실제 시나리오에 견고한 설계에 대한 새로운 통찰력을 가져다 주었습니다. 재난 시나리오를 위한 K-Rock 로봇이 바로 이러한 경우입니다. 이러한 로봇은 그들의 자세를 통해 좁은 통로 아래를 걸을 수 있고, 수륙 양용이므로 잔해와 장애물로 가득 찬 침수 지역에서 수영하고 걸을 수 있습니다.
처음에는 EPFL의 바이오로보틱스 연구소와 협력하여, 그리고 지금은 제 개인 회사인 KM-RoBoTa(맥슨의 YEP 프로그램의 일부이자 로잔에 있는 Maxon Innovation Lab의 스타트업 중 하나)에서 이러한 로봇을 개발하면서, 실제 동물에서 영감을 얻어 그 이동 능력을 과학 또는 공학 애플리케이션에 사용할 수 있는 잠재력이 큰 동물과 같은 로봇의 견고한 설계에 대한 기준을 세우게 되었습니다.
미래의 액추에이터
이와 같은 로봇 공학의 발전은 우리가 현재 사용하는 구동 메커니즘에 대해 생각하게 합니다. 현재의 기술로는 빠를 수는 있지만 높은 관성을 빠르고 효율적으로 이동시킬 수는 없습니다(충격, 폭발적인 동작 등 허용). 또한 토크를 높이기 위해 액추에이터 대역폭을 줄여 관성과 마찰에 의한 동작 제어를 투명하게 하는 기어박스를 사용합니다. 소프트 로봇 시스템부터 고출력 자기 수용성 액추에이터까지 다양한 크기에서, 더 나은 액추에이터를 만드는 새로운 방법에는 부피가 큰 주변 시스템의 부담이나 출력 및 토크 밀도의 감소 또는 에너지 소모 요구 사항을 초과하는 높은 전력 수요가 동반되는 경우가 많습니다.
오로바테스의 로봇이 발자국을 남기는 것처럼, 저희도 단계적으로 더 나은 작동 기술을 설계하고 있습니다. 그러나 여전히 당사의 로봇에게 원하는 실제 동물과 같은 능력을 제공하지 못하고 있습니다. 적어도 동물의 근육이 할 수 있는 능력에 비하면 그러합니다. 향후 10년 동안 걸어야 할 가치가 있는 작동 및 로봇 설계에 길지만 흥미로운 연구 및 개발 경로가 앞에 놓여 있습니다.
필자: 카밀로 멜로(Kamilo Melo)
참고 문헌
John A. Nyakatura*, Kamilo Melo*, Tomislav Horvat*, Kostas Karakasiliotis, Vivian R. Allen, Amir Andikfar, Emanuel Andrada, Patrick Arnold, Jonas Lauströer, John R. Hutchinson, Martin S. Fischer und Auke J. Ijspeert. 원시 양막류의 보행 역공학. Nature 565, 351–355; 2019. * 동등한 필자 기여.
DOI: 10.1038/s41586-018-0851-2
필자, 카밀로 멜로는 콜롬비아의 두이타마와 보코타에서 성장했으며, 현재는 스위스 보주의 르낭에 거주하고 있습니다. 그는 전기 및 기계 공학을 전공하여, 로봇 공학 박사 학위를 취득하였습니다. 로잔의 EPFL에서 박사후 연구원 과정을 거친 뒤, 자신이 설립한 KM-RoBoTa 사에서 근무하며 연구하고 있습니다.