- 입자 간 단순 연결 구조로 물체 운반·장애물 회피 등 다양한 동작 구현  - 재난 구조, 험지 운반, 환경 감시 가능한 자원 효율적 차세대 로봇 선봬  - 국제 저명 학술지 Science Advances 논문 게재

▲ (왼쪽부터) 서울대학교 기계공학부 손경민 박사, 김관우 석사과정생, 김호영 교수

개미와 같은 군집 생명체처럼 정밀한 제어 없이도 이동, 탐사, 운반, 협력이 가능한 능동 입자 기반의 차세대 군집 로봇 시스템이 개발됐다.

기계공학부 김호영 교수 연구팀이 하버드대학교(Harvard University)와의 공동 연구를 통해, 입자 간 단순한 연결을 통해 정교한 제어 없이 다양한 동작을 수행할 수 있는 군집 로봇을 개발했다고 밝혔다.

이번 연구성과는 그 혁신성을 인정받아 세계적 권위의 학술지 ‘사이언스 어드밴시즈(Science Advances)’에 5월 9일 게재됐다.

일반 로봇과 다수의 드론으로 구성된 기존의 군집 로봇은 지도 작성, 장애물 회피, 물체 운반 등 다양한 고난이도 작업을 수행할 수 있다. 고성능 정밀 센서, 통신 장치, 그리고 복잡한 제어 알고리즘의 활용 덕분이다. 그러나 이를 위해선 여러 기능들, 즉 정밀한 위치 인식, 충돌 방지, 실시간 데이터 처리 및 복잡한 의사결정 기능을 개별 로봇에 일일이 탑재시켜야 한다. 따라서 이 시스템에서는 로봇의 크기와 무게가 증가하고, 고급 재료 및 부품 비용이 많이 들 뿐 아니라, GPS나 통신이 원활하지 않은 환경에서는 성능이 급격히 저하되는 한계가 있었다.

이에 공동연구팀은 자연계의 개미 떼나 세포처럼 단순한 개체들이 모여 복잡한 행동을 발현하는 ‘창발적 집단 행동(emergent collective behavior)’에 착안해, 중앙 제어나 센서 없이도 자율적으로 움직이는 링크 기반의 군집 로봇 ‘링크봇(Link-bot)’을 고안했다. 기존 군집 로봇 시스템의 제약을 넘어선 차세대 로봇의 새 방향을 제시한 것이다.

▲ 그림 1. 방향성을 가진 입자들을 체인 링크로 연결해 만든 V자 형태의 링크봇

링크봇은 방향성을 가진 능동 입자들이 V자의 체인 구조로 연결된 형태로 구성된다. 입자 간 이동과 회전을 단순한 링크 구조로 제한하기만 하면, 링크봇은 별도의 지능 없이도 마치 하나의 생명체처럼 유기적으로 움직인다. 또한 링크 구조의 기하학적 조절을 통해, 형태 변화와 동작의 유연성을 자유롭게 제어할 수 있다.

▲ 그림 2. 링크 구조의 설정에 따라 경로와 방향이 달라지는 링크봇의 움직임

또한 연구팀은 유연성과 가변성을 지닌 링크봇이 직진, 정지, 방향 전환 등 다양한 움직임을 수행할 수 있음을 실험을 통해 확인했다. 좁은 공간이나 복잡한 지형을 통과하거나, 구조물의 틈새를 차단하고 외부 물체를 감싸서 운반하는 기능도 구현했다. 나아가 복수의 링크봇이 협력력하면 단일 개체로는 수행이 어려운 작업도 할 수 있다.

▲ 그림 3. (위) 링크봇이 물건을 감싸 가지고 오는 모습, (아래) 링크봇이 물건을 감싸서 멀리 이동하는 모습

아울러 링크봇의 움직임을 정밀하게 분석하고, 다양한 조건에서의 동작을 예측할 수 있는 계산 모델도 함께 개발했다. 링크 구조의 파라미터(매개변수)와 입자 개수에 따른 움직임의 변화를 시뮬레이션함으로써, 동작 메커니즘을 체계적으로 탐색할 수 있는 방법도 고안한 것이다.

이처럼 금번 연구는 중앙 제어나 센서 없이도 탐색, 운반, 협력 등 복잡한 작업을 연속적으로 수행할 수 있는 군집 로봇을 성공적으로 구현했다는 평가를 받고 있다. 이는 앞으로 재난 구조, 험지 운송, 환경 감시 등 다양한 분야에서 활용 가능한 자원 효율적 차세대 로봇 기술의 실현 가능성을 시사한다.

연구를 이끈 김호영 교수는 “이번 연구는 단순히 링크 모양만 바뀌어도 군집 로봇이 창발적 행동을 발현할 수 있음을 실험적으로 증명한 것”이라며 “이는 저비용의 자율 소프트 로보틱스와 차세대 집단 지능 시스템의 새로운 가능성을 제시할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

이번 연구에서는 서울대 연구진이 아이디어를 구상하고 실험 방법을 정립한 가운데, 실험은 서울대 연구팀, 시뮬레이션 및 계산은 하버드대 연구팀이 각각 수행했다. 결과 분석과 논문 작성은 양측이 공동으로 진행했다. 서울대에서는 기계공학부 김호영 교수와 손경민 박사, 김관우 석사과정생이, 그리고 하버드대에서는 공학·응용과학대학(School of Engineering and Applied Sciences) 소속의 엘 마하데반(L. Mahadevan) 교수와 킴벌리 보왈(Kimberly Bowal) 박사가 연구에 참여했다.

한편 논문의 제1저자 손경민 박사는 박사학위 취득 후 산업계에서 연구를 수행하고 있으며, 공동 저자인 김관우 석사과정생은 ‘입자 군집의 창발성’을 주제로 후속 연구를 진행 중이다.

[참고자료]
- 논문/저널명 : “Emergent functional dynamics of link-bots”, Science Advances
- DOI : https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu8326

[문의]
서울대학교 기계공학부 김호영 교수 / hyk@snu.ac.kr