도롱뇽처럼 달리고 헤엄치는 로봇

로봇공학자 아우케 이스페에르트는 생체 기계를 설계합니다. 생체 기계는 공상 과학 소설 속에 나오는 가정에서 사용되기도 하는데, 실제 동물을 기반으로 설계되어 복잡한 지형에 대처할 수 있습니다. 이러한 로봇을 만드는 과정을 통하여 야외 작업, 서비스, 탐색, 구조 작업 등에 사용할 수 있는 더 나은 로봇 장치를 만들어낼 수 있습니다. 이러한 로봇들이 단순히 자연을 모사하기만 하는 것은 아닙니다. 이 로봇들을 통해 우리는 생물학을 더 잘 이해할 수 있고, 이전에는 미처 알지 못했던 척수에 대한 새로운 사실도 알아낼 수 있습니다.

이것은 플로로봇(Pleurobot)입니다.

플로로봇은 이베리아영원
(Pleurodeles waltl)이라는 도롱뇽을

근접하게 모사하도록
저희가 설계한 로봇입니다.

보시다시피 플로로봇은 걸을 수 있고,

나중에 보시겠지만
수영도 할 수 있습니다.

이 로봇을 왜 설계했는지
궁금하실 수도 있을 겁니다.

사실, 이 로봇은 신경 과학 연구에
사용될 과학적 도구로 설계되었습니다.

실제로 저희는 이 로봇을
신경과학자들과 함께 설계했습니다.

동물이 어떻게 움직이는지,

특히 어떻게 척수가 보행을 제어하는지를
이해하는 것이 목표였습니다.

그런데 생체 기계
분야에서 일하면 할수록

저는 갈수록 동물의 보행에
깊은 인상을 받게 되었습니다.

헤엄치는 돌고래, 혹은
달리거나 뛰어오르는 고양이,

혹은 우리들 사람의 운동도 그렇습니다.

가볍게 뛰거나 테니스를 치는
동작 등을 생각해보면

우리는 놀라운 일을 하고 있는 겁니다.

실제로 우리의 신경계는 매우 복잡한
제어 문제를 풀어내고 있습니다.

약 200개의 근육을
완벽하게 조정해야 합니다.

그렇지 않다면 우리는 넘어지거나
잘 걷지 못하게 되겠죠.

저의 목표는 그것이 어떻게
작동하는지를 이해하는 것입니다.

동물의 보행에는 네 가지
기본적인 요소가 있습니다.

첫 번째 요소는 몸입니다.

사실 생체 역학의 선행 연구에서
이미 동물의 보행을 어느 정도까지

단순화시켰는지를 절대로
과소평가해서는 안 됩니다.

두번째 요소는 우리
몸 속에 있는 척수입니다.

이 척수에서 반사가 일어납니다.

여기서 일어나는 다수의 반사가
감각운동 조정 회로를 구성합니다.

척수의 신경 활동과 몸의 기계적 작용
사이를 조정하는 회로죠.

세 번째 요소는 이 척수 내에 있는
중추 패턴 발생기(CPG)입니다.

척추 동물의 척수에 있는
매우 흥미로운 회로인데,

이 회로는 자체적으로
동작을 잘 조직화해서

규칙적인 동작 패턴을
만들어낼 수 있습니다.

매우 단순한 입력 신호만 받아서요.

마지막 요소는 이런 입력 신호들인데,

뇌의 운동피질, 소뇌, 기저핵
등의 뇌의 상위부분에서

하행조정으로 내려오는 신호를 말하며,

이 신호들은 우리가 보행하는 동안에

척수의 활동을 조절합니다.

그런데 흥미로운 점은
낮은 단계의 요소들인

척수와 몸만으로도

보행 문제의 얼마나 큰 부분을
이미 해결할 수 있는가 하는 점입니다.

아마도 여러분은 닭의 머리를 잘라도
얼마간은 달릴 수 있다는 점을

아실 수도 있을 겁니다.

하위 부분, 그러니까 척수와 몸만으로도

보행의 큰 부분을
해결할 수 있다는 뜻이죠.

이들이 어떻게 작용하는지를
알기는 매우 복잡한데

왜냐하면 우선

척수의 활동을 기록하는 것이
매우 어렵기 때문입니다.

운동 피질에 전극을 심는 것이
척수에 심는 것 보다 훨씬 쉬운데

척추가 척수를 감싸고
보호하고 있기 때문입니다.

사람에게는 특히 더 어렵죠.

두 번째 어려움은 보행이
앞서 말씀드린 네 가지 요소 사이의

정말이지 매우 복잡하고 동적인
관계에 의존하기 때문입니다.

그래서 매 순간에 각 요소가 무슨
역할을 하는지 알아내기가 어렵습니다.

이 점이 플로로봇 같은
생체 기계와 수학적 모델이

기여할 수 있는 부분입니다.

그렇다면 생체 기계는 무엇일까요?

생체 기계는 로봇 공학에서
매우 연구가 활발한 분야입니다.

사람들은 동물에 착안해서

실외에서 사용할 수 있는 로봇을
만드는 연구를 하고 있습니다.

예를 들어 서비스 로봇이나
수색 및 구조 로봇,

야외용 로봇 등이 있습니다.

이 분야의 큰 목표는 동물에 착안해서

복잡한 지형에 대처할 수 있는
로봇을 만드는 것입니다.

계단이나 산, 숲 등이요.

기존의 로봇들이 잘 대처하지 못하지만

동물들은 훨씬 잘
대처할 수 있는 장소들입니다.

또한 로봇은 훌륭한
과학적 도구가 될 수 있습니다.

로봇이 사용되는 멋진
프로젝트가 몇 가지 있는데

신경과학이나 생체역학, 유체역학 등에
과학적 도구로 이용할 수 있죠.

그리고 그것이 바로
플로로봇의 목적입니다.

연구실에서 저희가 하는 일은
프랑스 보르도의 진-마리 카벨겐 같은

신경과학자들과 협력해서

척수에 대한 모델을 만들고
이를 로봇을 통해 입증하는 것입니다.

저희는 간단한 것에서
시작하고자 했습니다.

매우 원시적인 물고기인 칠성장어 등

단순한 동물에서 시작하는 것이 좋죠.

그리고 점차 보다 복잡한 운동,

도롱뇽의 보행이나

고양이와 사람 등 포유류의 보행
등으로 발전시키는 겁니다.

여기서 로봇은
저희 모델을 입증하기 위한

흥미로운 도구가 될 수 있습니다.

실은 저에게 플로로봇은
꿈을 실현시킨 것이기도 합니다.

그러니까, 20년도 더 전부터
저는 컴퓨터를 이용해서

칠성장어와 도롱뇽의 움직임을
시뮬레이션하는 연구를 하고 있었습니다.

그때는 박사 과정 중이었죠.

하지만 저는 저의 시뮬레이션이
단지 근사일 뿐임을 알고있었습니다.

예를 들어 물이나 진흙, 복잡한
지표면에 대한 물리 시뮬레이션은

컴퓨터에 바르게 구현하기가
매우 어렵습니다.

그렇다면 실제 로봇과 실제 물리학을
사용하면 되지 않을까요?

여러 동물 중에서 제가
좋아하는 동물 하나가 도롱뇽입니다.

왜인지 궁금하실 텐데요,
그 이유는 도롱뇽이 속한 양서류가

진화의 관점에서 매우 핵심적인
위치를 차지하기 때문입니다.

이들은 훌륭한
연결 고리가 되어 줍니다.

뱀장어나 물고기가
물에서 헤엄치는 것과

고양이나 사람 등 포유류가
사족 보행하는 것 사이의 연결 고리죠.

실제로 현 시대의 도롱뇽은

최초로 육지에 나왔던
척추 동물과 매우 유사합니다.

살아있는 화석이라고
할 수 있을 정도죠.

우리의 조상, 육지에 사는
모든 사족 동물들의

조상에 이르는 길을 보여줍니다.

도롱뇽이 헤엄치는 방법은

뱀장어 형태의 헤엄이라 불립니다.

머리에서 꼬리에 이르는 근육이
진행하는 파동처럼 활성화됩니다.

도롱뇽을 땅에 내려놓으면

빠른 걸음으로 걷는 형태의
보행으로 바뀝니다.

이 경우 도롱뇽의 다리는
아주 주기적으로 운동하는데

이 운동이 매우 잘 조정되고 있으며,

몸은 정상파 형태의 파동을
그리는 것을 알 수 있습니다.

플로로봇에 구현된 보행과 같죠.

무척 놀라우면서 흥미로운 사실 하나는

이 모든 움직임이 단지 척수와
몸만으로 가능하다는 점입니다.

만약 도롱뇽의 대뇌를 제거한다면

- 못된 일이지만, 도롱뇽의
머리를 제거하면 말입니다 -

척수에 전기 자극을 주었을 때

자극이 낮을 때는 걷는
동작을 유발하게 되고,

조금 더 강하게 자극하면
가속 보행을 유발합니다.

어느 순간, 기준이 되는 점을 지나면

자동적으로 이 동물은
헤엄을 치기 시작합니다.

정말 놀라운 일입니다.

그저 전체적인 구동을 바꿈으로써,

그러니까 마치 가속 페달을 밟듯

척수로 내려가는 명령을 바꾸기만 하면

서로 굉장히 다른 두 가지 움직임을
오갈 수 있다는 뜻입니다.

사실, 같은 현상은
고양이에게서도 발견됩니다.

고양이의 척수를 자극하면

걷는 동작, 가볍게 뛰는 동작, 전속력
달리기 사이에서 전환할 수 있습니다.

혹은 새에게서, 낮은
정도의 자극을 주면

걷도록 할 수 있고,

높은 정도의 자극에서는
날개를 치게 할 수 있습니다.

이 모든 것을 통해서 척수가

매우 정교한 보행 제어기임을
알 수 있습니다.

그래서 저희는 도롱뇽의 보행을
더 자세히 연구했습니다.

저희는 잘 만들어진 엑스레이
영상 장비를 사용할 수 있었습니다.

독일 예나 대학의 마틴 피셔
교수님의 도움을 받았습니다.

덕분에 그 장치를 이용해서

뼈의 움직임을 매우 상세하게
기록할 수 있었습니다.

저희는 이를 통해

어떤 뼈가 저희에게
중요한지를 알아낼 수 있었고

이 뼈들의 3차원 움직임 정보를
수집할 수 있었습니다.

저희는 모든 동작에 대한 정보를 수집해
데이터 베이스를 만들었습니다.

땅 위에서와 물 속에서 모두요.

실제 동물이 할 수 있는
모든 행동에 대한 운동 정보를

수집하고자 했습니다.

그 다음 저희는 로봇 공학자로서
저희 로봇에 그것을 모사했습니다.

알맞은 구조를 알아내기 위해
여러 최적화 과정을 거쳤습니다.

모터는 어디에 둘 것인지, 각 부분을
어떻게 체결할 것인지 등을 결정했죠.

실제 움직임을 가능한 잘
재현하는 것을 목표로 했습니다.

이것이 플로로봇을 만든 과정입니다.

그러면 이제 이 로봇이 얼마나
실제 동물과 흡사한지를 보겠습니다.

여러분이 보시는것은
실제 동물과 플로로봇의 보행을

거의 직접적으로 비교한 것입니다.

거의 일대일로 상응하는
정확한 보행 모사가 이루어진 것을

확인하실 수 있습니다.

되감기해서 천천히 보시면
더 잘 보실 수 있죠.

더욱이, 이 로봇은
헤엄도 칠 수 있습니다.

그래서 저희는 방수복을 만들어서
로봇에 뒤집어씌웠습니다.

(웃음)

방수복을 입힌 채 물에 넣으면
헤엄을 재현해볼 수 있습니다.

매우 어려운 일을 해낸 것이어서
저희는 정말로 기쁘게 생각합니다.

물체와 주변 사이의 상호 작용에
연관된 물리학은 매우 복잡합니다.

작은 동물에 비해서
저희 로봇이 꽤 크기 때문에

동적 주파수 조정이라는 과정을 통하여

상호 작용의 물리적 특성이
동일하도록 했습니다.

보시다시피 끝내는 아주 근접한
대응 관계를 만들어낼 수 있었습니다.

이에 대해 매우 기뻤죠.

그럼 이제 척수에 대해 알아보겠습니다.

저희가 진-마리 카벨겐과 함께 한 것은

척수의 회로를 모델링하는 연구였습니다.

흥미로운 점은 도롱뇽이

여전히 매우 원시적인 회로를
유지하고 있다는 점입니다.

장어 종류의 원시 물고기인

칠성 장어와 흡사한 회로죠.

그리고 진화 과정에서

보행을 위해 다리를 제어하는

새로운 신경 진동자가
추가된 것으로 보입니다.

이러한 신경 진동자가 있다는
것은 이미 알려져있지만

저희가 한 일은 수학적 모델을 만들어서

이들이 어떻게 결합되어야
두 가지 매우 다른 움직임이

서로 전환될 수 있는지를
알아내는 것이었습니다.

저희는 로봇을 이용해
모델을 검증했습니다.

저희가 만든 로봇은 이와 같습니다.

지금 보시는 것은 플로로봇의
예전 버전입니다.

로봇 보드에 프로그램된
저희의 척수 모델에 의해서

완전히 제어되고 있습니다.

저희가 한 것은 다만

원격 조종을 통해 로봇에게

두 가지 신호를 보낸 것입니다.

원래라면 뇌의 상위
부분에서 내려왔을 신호죠.

흥미로운 점은, 이러한 신호를 이용해서

보행의 속도, 방향, 종류를 모두
제어할 수 있다는 점입니다.

예를 들어

낮은 정도의 자극을 가하면
보행이 나타납니다.

어느 순간 자극을 증가시키다 보면

로봇은 헤엄치는 동작으로
빠르게 움직임을 전환합니다.

또한 방향 전환도 잘 할 수 있는데

이를 위해 척수의 한쪽을 다른 쪽보다
더 자극하기만 하면 됩니다.

자연이 어떻게 몸의 제어를
분산했는지를 생각하면

몹시 아름답다는 생각이 듭니다.

제어를 분산해서 척수가 많은
역할을 맡도록 하고,

따라서 뇌의 상위 부분이 근육
하나하나에 신경쓸 필요가 없게 됩니다.

고차원적인 조정만을 신경쓰면 되고,

모든 근육을 조정하는 것은
척수의 역할이 됩니다.

이제 고양이의 보행과 생체 역학의
중요성에 대해 살펴보겠습니다.

다른 프로젝트를 소개해 드리겠습니다.

고양이의 생체 역학을 연구해서

형태학이 보행에 얼마나 도움을
주는지 알아보려는 연구입니다.

저희는 다리에 관한

세 가지 중요한 특성을 찾아냈습니다.

첫 번째는 고양이의 다리가

거의 팬터그래프와 흡사한
구조를 가진다는 점입니다.

팬터그래프는 기계적 구조로,

위쪽 분절과 아래쪽 분절이
항상 평행하게 유지됩니다.

그러니까 각 분절의 내부 움직임을

잘 조절해 주는 간단한
기하학적 시스템입니다.

고양이 다리의 두 번째 특성은
매우 가볍다는 점입니다.

대부분의 근육은 몸통에 있는데,

다리의 관성을 줄임으로써
빠르게 움직일 수 있다는 점에서

훌륭한 구조입니다.

마지막 중요한 특성은 고양이 다리가
매우 탄성 있는 특성이 있어서

충격과 힘에 대처할 수
있다는 점입니다.

이 방법으로 저희는
치타-커브를 설계했습니다.

치타-커브를 무대로 불러 봅시다.

이 학생은 이 로봇으로 박사 연구를
하고 있는 피터 에케르트입니다.

보시다시피 귀엽고 작은 로봇입니다.

꼭 장난감 같아 보이기도 하지만

실제로 과학적 도구로써

고양이 다리의 움직임을
연구하는 데에 사용되었습니다.

보시다시피 유연하고
가벼우며 탄성이 강합니다.

그래서 쉽게 누를 수 있지만
망가지지 않습니다.

사실은 그저 뛰어오르죠.

이런 강한 탄성은
매우 중요한 특성입니다.

그리고 다리의 세 분절이
팬터그래프 역할을 하는

특성도 확인하실 수 있습니다.

여기서 흥미로운 점은,
이 로봇의 꽤 역동적인 보행이

개회로를 통해 제어된다는 사실입니다.

센서 없이, 복잡한 피드백 회로 없이
제어가 이루어진다는 뜻입니다.

이 점이 흥미로운데,
기구학적 구조만으로

꽤 빠른 보행에서의 안정성을
확보할 수 있다는 뜻이기 때문입니다.

그리고 그러한 구조가 이미
보행을 단순화하고 있다는 뜻입니다.

심지어 보행에 약간의 외란을
가할 수도 있습니다.

다음 영상에서 보실 텐데,

예를 들어 턱을 내려가는 로봇의
예시를 볼 수 있습니다.

이 상황에서 로봇이 넘어지지 않는데,

저희에게는 놀라운 결과였죠.

평지 보행과 비교하면 작은 차이지만

저는 로봇이 즉시 균형을
잃을 것이라고 예상했습니다.

왜냐하면 센서도 없고 빠른
피드백 회로도 없는 로봇이니까요.

하지만 아니었습니다. 기구학적
구조만으로 안정된 보행을 얻었고

로봇은 균형을 잃지 않았습니다.

물론 턱이 더 커지거나 장애물이 있다면

완전한 제어 회로와 반사 반응 등
모든 것이 있어야 합니다.

하지만 여기서 중요한 것은,
작은 변화에 대해서는

기구학적 구조만으로도 충분히
대처할 수 있다는 점입니다.

저는 이것이 생체역학과 로봇공학에서
신경과학 분야에 전달할 수 있는

중요한 메시지라고 생각합니다.

몸 자체가 보행에 얼마나 큰 역할을
하는지 과소평가해서는 안 된다는 거죠.

그렇다면 이것이 사람의 보행과는
어떤 관계가 있을까요?

사람의 보행은 명백히 고양이나
도롱뇽의 보행보다 복잡합니다.

하지만 동시에, 사람의 신경계는

다른 척추 동물의
신경계와 매우 유사합니다.

특히 척수는

사람의 보행에서도 주요한 제어기입니다.

그것이 바로 척수에 손상이 있을 때

심각한 결과가 나타나는 이유입니다.

척수에 손상을 입은 사람은 하반신이나
사지 마비 증상을 겪을 수도 있습니다.

이것은 뇌가 척수와 서로 신호를

전달할 수 없게 되었기 때문입니다.

특히, 보행을 시작하고
조정하게 하는 신호를

뇌에서 전달할 수 없게 됩니다.

그래서 신경 과학의 큰 목표 중 하나는

전기적이나 화학적 자극을 통하여

이러한 신호를 다시 주고받을 수
있도록 하는 겁니다.

세계에는 바로 그 연구를
진행하고 있는 팀이 몇 있고

특히 로잔 공과대학에서는

저와 공동 연구를 하고 있는
동료 그레그와르 쿠르틴과

실베스트로 미세라가 연구하고 있습니다.

하지만 이 일을 제대로 해내기 위해서는

척수가 어떻게 기능하는지,

몸과는 어떻게 상호작용하는지,

뇌는 어떻게 척수와 신호를 주고받는지
등에 관하여 잘 이해해야 합니다.

이 점이 오늘 제가
말씀드린 로봇과 모델이

그러한 중요한 목표를 향해 가는 데에

중요한 역할을 하리라고
기대되는 부분입니다.

감사합니다.

(박수)

브루노 기사니: 아우케, 당신의
연구실에서 만든 다른 로봇을 봤는데

오염된 물에서 헤엄치면서

오염의 정도를 측정하더군요.

그런데 이 로봇에 대해서는,

아까 강연에서 부차적인 프로젝트로

수색과 구조에 대해 언급하셨죠.

그리고 이 로봇은 코에
카메라가 달려있네요.

아우케 이스페에르트: 맞습니다.
그러니까 이 로봇과 관련해

일종의 파생 프로젝트가 있는데,

이 로봇을 이용해 탐색과 구조,
조사 작업을 하려는 프로젝트입니다.

지금 로봇이 여러분을 보고 있죠.

큰 목표로는, 만약 누군가
어려운 상황에 처해있다면

그러니까 예를 들어 무너지거나
물에 잠긴 건물에 있다고 하면

구조 팀이나 구조견에게도
몹시 위험한 상황이거든요.

그렇다면 기어가고 헤엄치며,
걸을 수 있는 로봇을 보내서

장착된 카메라로 상황을 살펴보고
생존자를 식별할 수도 있지 않을까요?

그리고 어쩌면 생존자와
통신할 수도 있겠죠.

브루노: 물론입니다. 생존자가 로봇의
모양새에 겁먹지만 않는다면요.

아우케: 네, 아마도 모양을 조금
바꾸는 것이 좋을 것 같습니다.

이 로봇이 자신을 잡아먹을까봐
겁을 먹은 생존자가

심장 마비로 죽을 수도 있으니까요

하지만 모양을 조금 바꾸고
더 견고하게 만든다면

이를 훌륭하게 사용할 수
있을 것이라고 확신합니다.

브루노: 감사합니다.
교수님과 팀 모두에게 감사드립니다.