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- 거의 모든 생물학적 유기체가 직접 경주에서 해당 로봇을 능가
- 로봇은 에너지 공급, 프레임조, 작동, 센서 및 제어 등 5가지 분야에서 효율적이어야
- 엔지니어들은 다양한 부품이 효율적으로 함께 작동하도록 하는 데 정기적으로 실패
- 전원을 모터, 회로와 분리하는 대신 모두 단일 "기능 하위 영역"에 통합하는 것이 유용

로봇이 동물보다 느린 이유는?

유능한 레이싱 로봇은 매우 유용할 것이다. 예를 들어 긴급 상황에서 폭탄을 해체하거나 부상당한 사람을 찾기 위해 질주할 수 있다. 탐험 중에 그들은 위험한 길에 들어가기 전에 정찰할 수도 있다. 그러나 불행하게도 현재 기계 공학에는 필요한 속도와 민첩성이 부족하다. 그런데 왜 동물의 근골격계가 훨씬 더 나은 성능을 발휘하는 걸까? 그리고 어떻게 하면 더 민첩하고 숙련된 로봇을 만들 수 있을까? 

▲ 자연 속에서 민첩하고 자신감 있게 움직일 수 있는 로봇은 거의 없다. © Heiko Kabutz

그들은 외계 행성을 탐험하고 간호사로 일하며 위기 지역에 재난 구호 인력으로 배치된다. 로봇은 거의 모든 분야에서 사람들을 지원할 수 있다. 기계 존재가 초능력을 발휘하는 이유 중 하나는 생물학적 존재보다 '물리적'으로 훨씬 앞서 있다는 것이다. 예를 들어, 그들은 엄청난 엔진 출력을 사용하여 자신의 무게의 30배를 끌어당길 수 있으며, 엔진 출력과 특수 스프링의 흥미로운 조합 덕분에 미터 높이 점프를 수행할 수 있다.

동물이 로봇보다 빨리 달리는 이유는

직접적인 경쟁에서도 일부 로봇은 인간을 훨씬 능가할 수 있다. 예를 들어, 미국 회사 Boston Dynamics의 치타 로봇 "Cheetah"는 실험실 런닝머신을 따라 거의 시속 30km로 질주했다. 이렇게 하려면 100미터 거리를 12초 이내에 완주해야 한다. 이는 대부분 사람이 달릴 수 있는 것보다 빠른 속도다. 비교를 위해 자메이카 단거리 선수 우사인 볼트(Usain Bolt)의 세계 기록은 9.58초로, 이는 평균 시속 37.58km에 해당한다.

그러나 치타 로봇이 일반 인간을 추월하는 반면, 지금까지 거의 모든 생물학적 유기체가 직접 경주에서 해당 로봇을 능가하는 것으로 보인다. 인간은 휴머노이드 로봇보다 빠르게 달리고, 바퀴벌레는 금속과 케이블로 만들어진 로봇보다 빠르게 달리며, 치타는 로봇 '치타'보다 거의 3배 빠르다.

로봇 공학과 인공 지능의 최근 발전을 고려할 때 반드시 이것을 기대하지는 않을 것이다. 콜로라도 대학교 볼더 캠퍼스의 엔지니어 Kaushik Jayaram은 “자연환경에서 움직이는 생물학적 시스템보다 훨씬 뛰어난 로봇이 아직 없다는 것이 혼란스럽다”고 말했다.

무엇이 동물의 움직임을 슈퍼 퍼포먼스로 만드는가?

게다가 동물은 로봇보다 더 빠를 뿐만 아니라 더 민첩하고 숙련되어 있다. 새로운 바퀴벌레 로봇은 인상적인 속도를 보여주지만, 생물학적 로봇과 달리 옆으로 움직이거나 고르지 못한 지형을 달리거나 벽을 기어올라갈 수는 없다. 이러한 기동을 위해 로봇은 에너지 공급, 프레임 또는 본체 구조, 작동, 센서 및 제어 등 5가지 분야에서 효율적이어야 한다.

▲ 바퀴벌레 로봇은 매우 빠르게 달리지만 아직 벽을 오를 수는 없다. © Kaushik Jayaram/ University of Colorado at Boulder

실제로 로봇은 5가지 하위 분야에서 정기적으로 동물을 능가한다. 예를 들어, 고품질 리튬 이온 배터리는 킬로그램당 최대 10킬로와트의 전력을 공급할 수 있는 반면, 동물 조직은 그중 10분의 1 정도만 생산한다. 그러나 결국 치타와 토끼는 다리를 뻗고 로봇은 그렇지 못하다.

이러한 로봇의 고장은 배터리나 센서 등 부품 하나의 결함으로 인한 것이 아닌 것으로 보인다. 대신 엔지니어들은 다양한 부품이 효율적으로 함께 작동하도록 하는 데 정기적으로 실패한다. Jayaram은 “우리는 본질적인 디자인 상충관계에 직면한다”며 "전진 속도 같은 한 가지를 최적화하려고 하면 기동성과 같은 다른 것을 놓칠 수도 있다"고 설명했다.

언제 빠른 로봇을 만들 수 있을까?

동물의 근골격계의 특별한 점은 개별 하위 시스템의 매우 복잡한 네트워킹이다. 예를 들어, 대퇴사두근은 대부분의 척추동물의 다리에 힘을 준다. 그러나 이러한 허벅지 근육은 지방과 당분을 분해하여 자체 에너지를 생성할 뿐만 아니라 통증과 압력을 감지하는 뉴런의 정보를 통합한다. 반면 로봇의 경우 개별 시스템이 별도로 규제된다.

이 영역에서 로봇 공학은 미래에 그에 따라 발전할 수 있다. 전원을 모터 및 회로와 분리하는 대신 모두 단일 "기능 하위 영역"에 통합할 수 있다. 이러한 접근 방식을 기반으로 엔지니어들은 이미 각 다리가 자체 모터, 센서 및 제어 회로를 갖춘 독립형 로봇처럼 작동하는 로봇을 제작했다. 결과: 미니 로봇은 아주 작은 공간에서도 모든 방향으로 거미처럼 움직일 수 있다. (Science Robotics, 2024; doi: 10.1126/scirobotics.adi9754)
출처: 콜로라도 대학교 볼더 캠퍼스

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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