로봇의 실제 배치를 보여주는 이미지. 사진 제공: Stella, Achkar, et al.

[뉴스에프엔 김익수 기자] 지난 수십 년 동안, 개, 치타, 말과 같은 네 발 달린 동물들의 민첩한 움직임에서 영감을 받은 로봇들이 개발됐다.

러한 로봇들은 땅에서 빠르게 이동하고, 다양한 지형을 횡단하며, 임무를 빠르게 완료할 수 있는 능력을 지니고 있다.

하지만 동물에서 관찰되는 자연스러운 유체 움직임을 로봇 시스템으로 정확하게 재현하는 것은 매우 도전적이다. 기존의 일부 4족 보행 로봇은 민첩하고 환경 변화에 반응할 수 있지만, 고급 액추에이터와 계산 장치가 많이 필요하여 에너지를 과다하게 소비한다.

스위스 연방 공과대학교(EPFL)의 크리에이트 랩(CREATE Lab)과 델프트 공과대학교(TU Delft) 연구팀은 최근, 동물의 유연하고 적응적인 움직임을 적은 수의 액추에이터로 재현할 수 있는 4족 보행 로봇 'PAWS(Passive Automata With Synergies)'를 개발했다.

이 로봇은 네이처 머신 인텔리전스(Nature Machine Intelligence)에 발표된 논문에서 소개되었으며, 동물이 더 적은 에너지로 민첩한 동작을 수행하는 근육 활성화 패턴인 ‘모터 시너지 효과’를 활용한다.

PAWS의 설계는 생물학적 모델에서 큰 영감을 받았다. 논문의 첫 번째 저자인 프란체스코 스텔라(Francesco Stella)와 미카엘 아흐카르(Mickael Achkar)는 "자연에서 디자인 기능을 추출하는 과정은 종종 인간의 직관과 전문 지식에 크게 의존하지만, 우리는 이를 더 구조화되고 방법론적인 접근법으로 해결하고자 했다."라고 밝혔다.

PAWS는 능동적인 제어를 통해 움직이는 다른 4족 보행 로봇들과는 달리, 호환 가능한 기계적 연결인 '기계적 커플링'을 이용하여 관절 간의 유연한 연결을 통해 동작한다. 이 시스템은 최소한의 작동으로 동물처럼 역동적인 움직임을 재현할 수 있다.

스텔라와 아흐카르는 "동물들은 자신들의 움직임을 제어하기 위해 동작 시너지 효과를 사용한다. 이는 중추 신경계가 근육 그룹 간의 활성화 패턴을 조정하여 효율적인 움직임을 가능하게 하는 생리학적 현상이다."라고 설명했다.

PAWS 연구팀은 개의 실제 데이터를 바탕으로, 적은 수의 모터를 사용하여 힘줄 구동 시스템을 계산적으로 변환하고, 이를 통해 로봇이 실시간으로 다양한 동작을 수행할 수 있게 했다. 이를 바탕으로 연구진은 PAWS를 트레드밀에 올려놓고 로봇이 모터 없이도 장애물을 피하면서 효과적으로 달릴 수 있음을 확인했다.

PAWS는 4개의 독립적으로 제어되는 액추에이터를 사용하여, 웅크리기, 서기, 걷기, 질주, 점프 등 다양한 동물의 걸음걸이를 수행할 수 있다. 연구진은 PAWS가 다른 실험을 통해 개선되고, 다양한 실제 문제를 해결하는 능력을 검증할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

스텔라와 아흐카르는 "우리는 최소한의 작동으로 다양한 동작과 환경 상호작용을 수행하며, 자연의 역학을 유지하는 방법을 제시하고 있다. 현재 우리는 간단한 피드백 루프를 통해 시스템의 안정성을 더욱 강화할 방법을 모색하고 있다."라고 덧붙였다.

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