[첨단 헬로티]

몇 년 전까지는 ‘소프트 로보틱스란 무엇입니까?’라고 로봇 공학 전문가도 자주 물었지만, 최근에는 일반 사람들조차 묻는 일이 적어졌다. 창간 이후 6년째를 맞이하는 소프트 로보틱스 전문지 ‘Soft Robotics’는 연간 6호를 발간하고 있으며, 2019년에 개최된 제2회째의 국제회의 ‘RoboSoft’도 참가자가 400명 이상이고 발표 건수가 180건을 넘어 대성황이었다. 이러한 전문 부회뿐만 아니라 다른 Science나 Nature 등 유명 잡지에도 많은 연구 논문이 발표되고 있으며, 발표 논문의 질, 양 모두 기세가 수그러들지 않는다.

연구 동향도 다방면에 걸쳐 있으며, 요소 기술의 기초 개발, 재료 과학이나 생물학의 학제 연구, 애플리케이션 개발을 목적으로 한 응용 연구까지 광범위하게 이루어지고 있다. 최근의 연구 동향은 소프트 로보틱스의 연구자 커뮤니티가 주최하는 홈페이지 ‘softrobotics.org’에서 참조할 수 있으므로 꼭 한번 보기 바란다.

소프트 로보틱스의 연구는 갑자기 일어난 것처럼 보이지만, 그 역사는 비교적 길다. 예를 들면 일본에서는 1980년대에 많은 연구자가 유연성 기계라는 명칭으로 연구를 했으며, 현재의 연구 발전의 기반이 되어 있다. 당시부터 실리콘고무를 이용한 액추에이터 개발에서 인간의 얼굴 표정 등을 로봇 기술로 재현하는 시도가 이루어지고 있었다. 2003년에는 이들 연구원이 공저로 편집한 ‘Morpho-Functional Machines’라는 책이 간행되고, 거기서 당시의 많은 소프트 로보틱스의 연구가 발표됐다.

이러한 흐름에 근거해 필자 등은 연구의 방향성을 논의할 목적으로 2010년에 소프트 로보틱스의 국제 워크샵을 공동 개최했으며, 이것이 최근의 연구 동향의 개념적 기반이 됐다고 생각한다. 이 워크샵에서는 주로 일본과 유럽의 신체성 지능(Embodied Intelligence)의 연구자가 모여 연구 과제와 전개를 의논했다. 여기서 말하는 신체성 지능이란 자연계의 생체에서 볼 수 있는 신체가 갖는 역학적 실체에 기인하는 다이내믹스가 시스템의 지적이고 적응적인 거동에 어떻게 연결되는지 연구하는 분야이다.

신체성 지능의 연구 분야에서는 기존의 딱딱한 로봇 기술을 사용해 생체의 인지 발달 프로세스 등을 연구하는 방법이 주류였는데, 본래 신체가 갖는 역학적인 실체를 연구하는 것이 목적이었기 때문에 보다 생물의 신체에 가까운 유연하고 기능적인 재료를 사용해 로봇 시스템을 구축하는 방향으로 연구가 발전하는 것은 자연스러운 행보라고 생각됐다.

당시 이루어진 의논은 약 10년이 지난 지금도 대체로 효과적이며, 최근의 연구 동향도 함께 재고하는 것에는 의의가 있다고 생각된다. 그러므로 이 글에서는 신체성 지능의 해명을 위해 이루어지고 있는 기초 연구의 개론과 함께, 소프트 로보틱스 기술 연구가 어떠한 공헌을 하고 있는지를 의논하고 싶다고 생각한다.

신체성 지능의 기본 설계 원리로서의 소프트 로보틱스

자연계에서는 비교적 간단한 단세포 생물에서부터 복잡한 인간과 같은 시스템에 이르기까지 지적이고 적응적인 거동을 보이지만, 말할 것도 없이 이러한 시스템은 기계적, 화학적인 반응을 동반하는 역학적 실체에 의한 다이내믹스에 기인하고 있다. 신체성 지능의 연구는 이러한 역학적 실체를 기반으로 하는 다이내믹스가 어떻게 지적인 거동이나 적응적 운동으로 이어지는지 탐구하는 학문으로, 신체의 유연성은 연구의 본질에 큰 영향을 준다. 이 장에서는 신체의 유연성이 신체 지능에 미치는 기본 원리로서 4가지 측면을 들어, 소프트 로보틱스 연구가 어떻게 신체성 지능의 해명으로 이어지는지를 의논한다.

1. 신체의 변형과 형태 기능

우리 생물의 생체 활동의 대부분은 신체의 형태와 그 변화나 움직임에 의해 지지되고 있다. 예를 들면 근육의 신축 동작은 사지의 움직임과 내장의 활동을 가져오고, 그 움직임은 환경과의 상호작용을 통해 물리적, 화학적으로 다양한 다이내믹스를 생성함으로써 지적이고 적응적인 거동으로 연결된다고 생각할 수 있다.

기존의 강체역학에 기초한 로봇 시스템에서는 신체의 변형이 직동형과 회전형 관절에 의해 실현되어 왔지만, 소프트 로보틱스에서는 그것을 실리콘고무와 같은 유연 연속체의 변형으로서 다루는 경우가 많다. 유연 연속체 변형은 구조가 다양한 형태를 실현할 수 있기 때문에 복잡한 태스크나 환경을 대상으로 하는 시스템에 있어서는 상황이 좋다. 예를 들면 다양한 형상의 물체를 파지하는 경우에는 유니버설 그리퍼와 같이 파지기구를 유연 연속체로 구성함으로써 물체와의 접촉 마찰력을 최대로 할 수 있는 핸드의 변형을 실현할 수 있고, 또한 부정지 보행을 하는 시스템에서도 마찬가지로 다리나 신체가 지면과의 접촉 마찰을 최대화함으로써 보다 적응적인 이동이 가능해진다. 유연한 연속체 구조는 물리적 접촉을 사전에 예측할 수 없는 환경 하에서는 특히 중요하며, 충돌에 의한 로봇 자체의 손상을 피할 수 있을 뿐만 아니라 주위에 있는 인간의 안전성이라는 관점에서도 필요한 특징이다.

이러한 장점이 있는 한편으로, 유연 연속체의 변형을 능동적으로 제어하는 것은 일반적으로 어렵다. 유연 연속체는 그 자세를 완전하게 가늠하는 것이 어렵고, 또한 액추에이터의 실장 제한 때문에 열구동계가 되어 버린다. 생물의 신체에서도 동일한 문제가 존재하고, 보통은 수많은 센서와 근섬유가 신체를 덮듯이 둘러쳐 있는 것을 고려하면 소프트 로봇도 최종적으로는 마찬가지로 복잡한 설계가 필요하게 될 것으로 생각된다. 이와 같이 센서와 액추에이터의 고밀도화를 위해서는 기능재료를 사용해 요소의 소형화, 고밀도화와 함께 구조의 연속성과 유연성을 잃지 않기 위한 실장 기술이 필요하다.

생물과 같은 센서와 액추에이터의 고밀도화가 아직 개발도상인 현시점에서는 열구동 시스템으로서 유연 연속체를 제어하는 방법론도 중요한 연구 대상이 된다. 실제로 생물의 신체도 모든 자유도를 자유자재로 제어하고 있지 않는다는 사실이 밝혀져 있으며, 거기에서 얻은 식견을 로봇의 설계 원리로서 사용할 수 있다. 예를 들면 최근의 다자유도 로봇 핸드의 연구에서는 바이오 메커닉스의 ‘근육 시너지 원리’의 식견을 바탕으로, 모든 자유도를 독립적으로 제어하지 않고 복수의 관절 자유도를 하나의 액추에이터와 연결함으로써 구조로서의 가변 자유도를 확보하면서도 일정한 가제어성을 실현하고 있다. 이렇게 다자유도의 구조 변형과 가제어성은 일반적으로 트레이드오프의 관계에 있는데, 한정된 센서와 액추에이터의 리소스를 최대한으로 이용하기 위한 기구는 신체성 지능의 본질적인 원리로 파악할 필요가 있다.

2. 유강 하이브리드 시스템

일반적으로 소프트 로봇은 유연 연속체를 시스템에 실장하는 것을 전제로 하고 있는데, 유연 구조는 액추에이터와 환경의 인터랙션에 의해 생성되는 힘을 전달하기 어렵다는 현실을 고려할 필요가 있다. 힘의 전달이 직접적으로 일어나지 않는다는 것은 로봇의 물리적인 크기(크고 무거운 로봇을 움직이려면 큰 힘이 필요)와 달성하는 운동 속도(가속 감속에도 큰 힘이 필요)에 직접적으로 영향을 미치고, 또한 정밀한 운동 제어를 하는 경우에도 가제어성의 문제를 동반하는 경우가 많다. 이러한 이유 때문에 지금까지의 소프트 로봇은 자중을 지지할 필요가 없는 수중 환경의 애플리케이션이나 소형 로봇인 경우가 많았으며, 섬세한 움직임이 필요하지 않는 애플리케이션이 대부분이었다.

이 문제에 대응하기 위해 유연 재료와 강체를 조합함으로써 힘의 전달성 문제를 완화하는 설계 방법도 연구되고 있다. 인간도 포함해 자연계의 대형 생물은 보다 딱딱한 골격과 다른 유연한 조직을 조합해 유연하고 큰 신체를 형성하고 있으며, 이러한 ‘유강(柔剛) 하이브리드 시스템’이 앞으로 중요한 설계 원리가 된다. 이러한 하이브리드 시스템은 유연성의 특성과 함께 큰 힘을 전달할 수 있을 뿐만 아니라, 불필요한 자유도를 제약하는 목적으로 이용할 수도 있다.

또한, 유강 하이브리드 시스템의 개념에는 신체의 유연성과 강성을 자율적으로 변화시키는, 이른바 물리적 적응 시스템(Physically Adaptive Systems)에 대한 응용도 생각할 수 있다. 자연계에서는 모든 생물이 진화와 발달의 프로세스 중에서 신체를 기계적으로 변화시키고 있으며, 이러한 기계적 신체의 적응이 복잡한 환경이나 태스크의 실현에 본질적으로 기여하고 있다. 3D 프린팅으로 대표되는 다양한 가소성 재료의 가공 기술 등을 이용해 신체의 기계적 특성을 스스로 변화시킬 수 있는 로봇 시스템도 활발히 연구되고 있다. 자신의 신체를 구성하는 가소성 재료를 자율적으로 가공 보정함으로써 생물이 갖고 있는 성장과 발달, 진화, 자가 회복 등의 기능도 로봇이 가질 수 있게 된다.

3. 소프트 로봇의 센서 형태와 지각 원리

유연 연속체로 구성되는 소프트 로봇의 지각 기능을 설계하는데 있어서는 처음부터 무한 자유도를 갖는 자세 상태를 이산적 센서로 완전히 지각할 수 없다고 하는 사실을 고려할 필요가 있으며, 어떤 예측이나 추정 프로세스를 병용해야 한다.

소프트 로봇 그리퍼에 의한 물체 파지 등에서 외부 환경의 물리적 자극에 의한 유연 연속체의 변형을 지각하기 위해서는 어떻게 하면 좋을까? 연속체의 모든 변형 상태를 이산적 센서로 완전히 지각하는 것은 불가능하기 때문에, 미리 구속 조건을 정해 둠으로써 보다 효율적인 시스템을 구축할 수 있다. 예를 들면 이미 알고 있는 형상이 다른 2개의 물체를 식별하는 경우에는, 그 기하학적인 차이에 의해 발생하는 변형을 추출할 수 있게 변형 센서 등을 유연 연속체 상에 배치함으로써 이 기능을 실현할 수 있다. 이와 같이 센서의 설치 조건은 태스크나 환경과 밀접한 관계에 있기 때문에 정말로 유니버설한 시스템의 구축은 불가능하며, 이것을 센서 형태(Sensor Morphology) 문제라고 부른다.

센서 형태는 로봇의 모터 제어와도 또한 밀접한 관계가 있다. 태스크나 환경을 이미 알고 있다고 하더라도 시스템의 운동이 바뀌어 버리면 목적하는 기능은 실현할 수 없고, 반대로 운동의 차이를 이용해 동일한 센서 형태라도 다른 지각 기능을 갖게 할 수 있다. 이것은 이른바 센서 모터 협조(Sensory Motor Coordination) 원리로서 알려져 있으며, 인지 발달 프로세스를 생각하는데 있어서는 중요한 개념이다. 시스템이 운동 생성 메커니즘을 자율적으로 학습하는 경우에는 센서 형태가 그 학습을 구동하는 경우가 있다.

센서가 부착되는 위치에 따라 거기에서 얻을 수 있는 정보의 질이 변화하는 원리와 병행해, 유연한 구조의 형상 변화를 이용해 거기에서 얻을 수 있는 정보의 질이 변화한다고 하는 현상도 중요한 원리로서 검토할 필요가 있다. 압전 재료와 같이 변형에 의해 재료 자체의 저항값과 정전 용량이 변하는 메커니즘을 이용하면 구조의 변형 자체를 센서로서 이용할 수 있는 가능성도 나온다. 일반적으로 센서 형태는 외계의 물리적 자극을 수용기에 전달하기 전에 증폭이나 필터링을 하는데, 다른 물리 상태로 변환하는 것도 가능해진다.

4. 소프트 로보틱스의 학습과 인지 발달

지금까지 봐 왔던 대로 기존의 강체 로봇과 비교해 소프트 로봇은 신체의 유연성이 있기 때문에 운동을 생성하는 메커니즘과 환경의 인터랙션에 근본적인 차이가 존재한다. 또한, 각종 센서를 통한 지각 기능에 관해서도 유연한 신체가 주는 영향은 헤아릴 수 없으며, 기존과는 다른 설계 원리가 필요하다. 그렇기 때문에 로봇의 인지 발달 프로세스를 생각하는데 있어서는 기존이 강체를 전제로 한 로봇과 비교해 재고해야 하는 점도 많다.

특히 운동과 인지 프로세스의 학습 발달을 생각하는데 있어서는 기존과 다른 틀이 필요하다. 일반적으로 소프트 로봇의 신체는 그 유연성 때문에 운동 자유도가 매우 높아지고, 종종 무한 자유도의 구조를 다루어야 하는 경우도 많다. 이러한 신체를 가진 로봇의 센서 모터 표상(sensory-motor representation)을 어떻게 다루면 좋을까 하는 일반적인 방법론은 아직 확립되어 있지 않다. 운동 생성으로 해도 감각기를 통한 센서 정보의 취득으로 해도 센서 모터 표상으로서 다룰 수 있는 차원은 유한하며, 그 한편으로 기계적인 가동 자유도가 무한 또는 매우 높은 경우에 어떻게 저차원화를 하고 그 차원 속에서 학습과 발달의 문제를 다루는 연구는 아직 막 시작한 단계이지만 상당히 중요한 문제를 품고 있다 .

이 문제는 연속적으로 존재하는 역학적, 정보적 상태 공간이 센서 모터 표상의 레벨로 어떻게 이산적인 통합을 만들어 가는지 하는 문제와 밀접하게 관련되어 있다. 기존의 강체 로봇은 모터의 액션에 대해 신체의 움직임과 그것에 기인하는 센서 정보는 거의 일정하게 정해지는 것을 전제로서 설계되어 왔다. 그것에 대해 소프트 로봇은 유연성 때문에 환경과의 인터랙션이나 자신의 신체 경시 변화 등도 포함해 모터의 액션과 그 센서 정보의 인과 관계가 보다 불확실해지는 경우가 많다. 이렇게 전체가 불확실한 시스템에서는 자기 조직화와 자율 안정화 메커니즘 등이 기능하는 이산적인 패턴을 기반으로 한 인지 프로세스의 구축이 필수적이다. 이 과정은 기호 창발, 접지, 조작 문제와도 관련이 있으며, 소프트 로보틱스가 로봇의 인지 발달 연구에 공헌하는데 있어서는 중요한 역할을 할 것으로 생각된다.

좀 더 큰 타임 스케일의 의논으로서는 소프트 로봇 형태의 시계열 변화를 적극적으로 인지 발달 프로세스에 도입하는 방향성도 시야에 들어온다. 인지 발달 과학에서 자주 다루어지는, 이른바 ‘Freeing and Freezing principle’ 등은 신체의 적극적인 변형과 밀접하게 관련되어 있으며, 보다 복잡한 학습 프로세스를 실제 세계 시스템에서 실현하기 위해서는 중요한 원리가 될 것이다.

사례 소개

여기에서 소개한 소프트 로봇의 인지 발달 원리의 연구는 아직 막 시작한 단계이지만, 지금까지 진행되어 온 연구 사례의 일부를 소개하려고 한다. 이들 사례는 앞에서 말한 설계 원리를 구현화한 연구이기 때문에 보다 구체적인 실장 레벨의 의논이 예상된다.

1. 신체 다이내믹스에서 생기는 로봇 로코모션

필자 등은 연속체 빔의 자려진동을 이용한 로봇의 다리식 이동기구를 연구해 왔다(그림 1). 지금까지 로봇의 다리식 이동의 연구는 에너지 효율의 연구에서 훌륭한 성과가 나오지 않았던 것도 있고, 자려진동을 이용함으로써 그 현저한 진전이 기대되기 때문에 이 연구를 해왔다. 여기에서 사용하는 연속체 빔은 재료적으로는 강체의 부류에 속하지만, 연속체를 이용한다는 관점에서 광의의 소프트 로봇으로 생각할 수 있다.

어떠한 빔이라도 질점을 공진 주파수로 진동시킴으로써 자려진동을 일으킬 수 있지만, 그 진동이 일으키는 빔의 변형 궤도의 설계 문제는 쉽지 않다. 아치 모양의 빔을 자려진동시킴으로써 어느 정도 예측이 가능한 진동을 일으킬 수 있다는 것을 제안했다. 아치의 현 부분을 수직 방향으로 향하게 하고 상부에 진동자를 두며, 하부를 지면에 설치함으로써 특정 공진 주파수로 호핑과 같은 운동을 실현할 수 있다. 또한, 현 부분을 수평 방향으로 향하게 한 경우에도 4다리 동물의 갤럽과 같은 운동을 실현할 수 있다.

자려진동 현상은 액추에이터의 출력 와트수와 로봇의 질량에 관계없이 그 진동 주파수가 공진 모드와 일치하고 있으면 실현할 수 있다. 그렇기 때문에 보통의 이동 효율 산출 방법(에너지 입력/(질량×이동 거리))에 대해서는 효과적인 방법이다. 필자 등의 연구에서는 로봇의 질량과 에너지 입력을 최적화함으로써 이동 효율이 0.1이라는 결과를 얻을 수 있었다. 이것은 인간의 보행 이동 효율의 약 2배가 되는 것이다.

또한, 각각의 구조체에는 여러 개의 자려진동 모드가 존재하는 것을 고려해, 자려진동 모드마다 다른 운동 패턴을 갖게 하는 것도 가능하다. 앞에서 말한 아치 모양의 빔을 사용한 다리식 이동 로봇에서는 처음의 3개 모드를 각각 2차원 평면상의 후진, 전진, 회전에 대응시키는 것이 가능하고, 로봇 자체에는 진동을 일으키기 위한 하나의 모터만 탑재하고 있음에도 불구하고 진동 주파수를 변화시킴으로써 평면상의 3차원 이동이 가능하다는 것을 나타냈다. 이렇게 연속체 빔의 신체로부터 이산적인 정성적으로 다른 운동 패턴을 만들어내는 설계 방법은 소프트 로봇의 운동 제어를 하는데 있어 중요하다.

2. 센서 형태와 소프트 인터랙션 지각

신체성 지능 연구에서는 시스템 환경 간의 인터랙션이 지적 운동과 인지 발달에 미치는 영향을 망라적으로 조사해 왔는데, 그 인터랙션에 유연 구조가 물리적으로 개입하는 경우의 사례 연구는 중요한 화제이다. 인간의 신체에서 피부를 통한 역각은 물체의 파지와 슬립 검지에 필수적이며, 근육이나 힘줄에 걸리는 부하의 지각은 여러 가지 운동을 내부 관측하는데 있어 중요한 정보원이 된다.

이와 같이 소프트 로봇의 내부에 생기는 힘은 많은 유용한 정보를 포함하고 있는데, 이를 위한 센서 기술은 아직 발전도상에 있다. 일반적으로 이와 같은 센서는 기계적 임피던스(리셉터, 회로, 케이블 등을 포함한 유연성)이 로봇의 유연성과 일치하고 있을 필요가 있는 한편으로, 대자유도의 변형을 가급적 고해상도로 지각할 필요가 있기 때문에 개발과 실장이 어렵다. 필자 등은 이들을 실현하기 위한 센서 기술의 개발에 관계해 왔다(그림 2).

‘고해상도 촉각 센서 글러브’는 플렉스 프린트 기판의 작성 기술을 사용해 여러 개의 역각 수용기를 선 모양으로 실장하고 있다. 플렉스 프린트는 신장과 큰 굴곡에는 약하므로 선 모양의 센서 열을 변형이 적은 방향으로 배열함으로써 인간의 손과 같은 복잡한 변형을 하는 표면상에서도 압력 분포를 계측할 수 있는 방법론을 확립하고, 최종적으로는 최대로 인간의 손 크기에 1000개 이상의 역각점을 실장하는데 성공했다. 이것은 인간의 손과 같은 신체의 기계적 다이내믹스를 고려에 넣어 센서를 설계했기 때문에 가능해진 사례라고 할 수 있다.

한편으로 전도성 엘라스토머(Conductive Thermoplastic Elastomer, CTPE)는 열가소성 탄성 폴리머에 도전성 카본 분말 등을 혼합함으로써 통전 가능한 엘라스토머를 실현하고 있으며, 또한 그 열가소성으로 매우 다양한 형상으로 가공할 수 있는 가능성도 가지고 있다. 필자 등은 0.1mm 지름의 섬유 모양으로 가공한 후에 다양한 소프트 로봇 애플리케이션에 실장해 그 실용성을 연구해 왔다. 유연 역각 센서의 미소화와 고밀도화는 소프트 로봇에 지각을 부여하는데 있어 중요한 문제이다. 그 한 예로서 들 수 있는 것은 유니버설 그리퍼에 역각 센서를 실장하는 문제이다.

유니버설 그리퍼는 유연한 막 구조가 그 파지 메커니즘의 핵심이 되기 때문에 기존의 딱딱한 센서를 실장하는 것은 어려운 한편, CTPE와 같은 유연한 재료와는 상성이 좋다. 이 그리퍼가 파지 물체의 형상이나 파지 상태를 지각하기 위해서는 유연 막의 변형을 지각하는 것이 바람직한데, 그 한편으로 변형을 계측하는 위치와 방향은 파지 물체의 형상에 의존하기 때문에 일정하게는 정해지지 않는다. 이것은 전형적인 센서 형태의 문제로서 생각되며, 센서를 어떻게 실장하는지가 로봇의 기능과 인지 발달 프로세스에 직접적으로 관련되는 전형적인 예로서 들 수 있다.

3. 소프트 로봇의 학습 인지 발달 프로세스

일반적으로 소프트 로봇은 신체의 유연성에 기인하고, 환경과의 인터랙션 영향을 받기 쉽다. 예를 들면 동일한 모터 액션을 실행해도 환경 요소의 약간의 차이에 따라 로봇의 운동이 결과적으로 다른 경우가 종종 있다. 그렇기 때문에 센서를 통한 학습이나 발달 프로세스에서도 다소의 환경 변화에 의존하지 않는 일관성 있는 기능을 실현할 필요가 있다.

그림 3 (a)에 나타낸 시스템은 막대 모양의 유연 구조를 힘줄 구동 액추에이터로 변형시킬 수 있는 플랫폼인데, 자신의 신체 자세와 움직임을 검지하는 프로세스를 자율적으로 학습하는 것을 목적으로 만들어져 있다. 이 유연 연속체는 다양한 자세를 취할 수 있지만 센서를 유연체의 변형 부위에 배치하는 것은 어렵다. 그렇기 때문에 유연체를 설치시키고 있는 단면에 압력 센서가 내장되어 있다. 유연 구조 속에서는 변형에 의해 생기는 힘을 전파하고 있기 때문에 이러한 압력 센서가 실제로 변형되어 있는 부위가 아니어도 압력 분포를 상세하게 패턴 인식함으로써 변형을 추측할 수 있다.

학습 프로세스는 시각을 이용해 구조의 변위를 식별하고 그 변위 및 압력 센서 상의 역각 패턴을 대응시키는 것으로, 최종적으로는 자세와 움직임을 압력 센서만으로 검지할 수 있게 된다. 이 유연 구조의 변형은 액추에이터의 입력뿐만 아니라 환경과의 인터랙션에도 의존하기 때문에 그 압력 센서값과의 대응 관계는 단순하지 않지만, 적당한 식별 아키텍처와 상응하는 학습 데이터를 이용함으로써 이 복잡한 인터랙션을 인식할 수 있게 된다. 이렇게 자유도가 큰 신체가 모터 액션을 통해 환경과의 복잡한 인터랙션을 하는 경우에 어떻게 일관성 있는 운동 기능을 실현할지에는 많은 과제가 남아 있지만, 유강 하이브리드의 요소를 갖는 신체가 센서 모터 학습을 함으로써 복잡한 다이내믹스 중에 일관성 있는 패턴을 찾아낼 수 있다.

보다 고도의 센서 모터 협조를 실현하기 위해서는 더 여러 가지 고찰이 필요하지만, 그 메커니즘의 해명을 위해서는 생물의 인지 발달 프로세스가 참고가 된다. 필자가 하고 있는 태아의 성장 과정 연구에서는 가급적 생체의 현실에 가까운 신체와 환경을 시뮬레이션 상에서 재현해 어떠한 인지 프로세스의 발달이 발현하는지를 분석하고 있다. 그 중에서도 소프트 로봇 설계와 밀접하게 관련되는 것은 태아가 장시간 보내는 모체의 자궁 내 등의 특수한 환경 하의 센서 모터 학습이다. 태아의 신체도 또한 소프트 로봇과 마찬가지로 매우 높은 운동 자유도를 갖고 있으며, 그 근육 출력과 센서 자극 사이에 어떠한 관련성 있는지를 찾아내는 것은 어렵다. 그렇지만 모체의 자궁 내를 모방한 환경 하에서 학습을 하게 하면, 보다 많은 관련성이 추출된다는 것이 밝혀졌다. 말할 것까지도 없이 이러한 특성은 이 글에서 말한 많은 소프트 로봇의 설계 원리가 실장되어 있으며, 이들의 원리 없이는 동일한 실험 결과는 얻을 수 없다. 지금까지의 소프트 로봇 연구에서는 신체성이나 환경 요소에 주목한 학습 메커니즘 연구는 그다지 이루어지지 않았지만, 앞으로 인간과 같은 보다 복잡한 인지 발달 프로세스를 실현하기 위해서는 필수적인 연구라고 생각된다.

맺음말

이 글에서 의논한 대로 소프트 로보틱스 연구는 신체성 지능을 이해하는데 있어서는 빼놓을 수 없는 요소가 많이 포함되어 있다. 특히 이 분야에서는 기존의 딱딱한 로봇에 의한 인지 발달 프로세스 연구에서 다루어지지 않았던 유경(柔硬) 하이브리드 시스템에 의한 신체의 기구 원리와 연동 기능 학습과 유연 구조가 가져오는 센서 정보의 변용에 관한 식견에 대해서는 중요한 공헌이 가능할 것으로 생각된다.

앞으로는 소프트 로보틱스 기술이 가져오는 신체의 기계적 변화와 성장을 위해 더욱 더 발전이 요망된다. 애초에 생물의 신체가 대부분 유연하다는 사실은 주로 모든 생물은 태어나면서부터 죽을 때까지 계속 성장 발달하는 것에 기인한다고 생각된다. 신체의 기계적 변화는 센서에서 얻은 정보, 모터에 의한 운동 생성, 환경과의 인터랙션 모두에서 극적인 변화를 가져오기 때문에 고도의 인지 발달 메커니즘을 근본적으로 이해하기 위해서는 연구를 추진해야 하는 분야이다. 최근에는 많은 새로운 가공 기술과 기능 재료를 입수할 수 있게 된 때부터 보다 기계적으로 적응할 수 있는 소프트 로보틱스 시스템을 구축할 수 있게 됐다. 이러한 기계적이고 인지적으로 복잡한 발달이 어떻게 일어나는지를 해명하기 위한 수단으로서 소프트 로보틱스 연구도 크게 기대를 가질 수 있는 연구 분야이다.

이 글에서 다룬 신체성 지능의 관점에서 이루어지고 있는 소프트 로보틱스의 연구는 기초 연구의 양상이 강하며, 애플리케이션에 대한 응용은 앞으로의 과제로서 생각되고 있다. 기존의 강체 로봇 기술과 비교해 소프트 로봇은 강도, 정도, 내구성 등에서 떨어진다는 사실이 있는 한편으로, 코스트, 적응성, 안전성 면에서는 근본적인 변혁을 기대할 수 있다. 인간이나 다른 생물과 같이 단일 태스크나 시스템에는 최적화되어 있지 않지만, 필요한 것은 뭐든지 할 수 있는 인공 시스템은 아직 실현되지 않았다. 인지 발달 소프트 로보틱스 연구는 이러한 물리 세계에서 정말로 적응적인 로봇의 실현을 위해 필요한 연구 단계라는 것을 기대하고 있다.

이이다 후미야, 케임브리지대학 공학부

니이야마 류마·쿠니요시 야스오, 도쿄대학 대학원 정보이공학계연구과