출처 : 일본연구개발전략센터(CRDS) / https://www.jst.go.jp/crds/

 

휴먼 로봇 인터랙션 연구는 물리 공간ㆍ정보 공간에서의 인간의 경험이나 표현을 풍요롭게 하는 데 도움이 되는 시스템을 구축하기 위한 연구개발 영역이다.

로보틱스 분야에서는 인간과의 교류, 협동, 행동 지원 등을 의도한 로봇의 외부 인식ㆍ의사 결정 모델 구축, 소재 및 기구 개발, 사용성(usability) 평가와 같은 연구를 수행했다.

최근에는 사용자의 분신 또는 신체의 일부로 생각하는 등 로봇의 개념을 유연하게 재해석하는 인터랙션 연구개발이 활발해졌으며, 그 대상은 정보 공간 속 아바타의 신체까지 이르렀다.

 

로보틱스는 원래 극도의 육체적 피로를 동반하는 작업이나 위험한 환경에서의 작업 등 인간에게 바람직하지 않은 작업을 자동화ㆍ효율화함으로써 인간을 고통스러운 일에서 해방하는 것을 목표로 해 왔다.

최근에는 로봇이 경량화ㆍ소형화되고 안전해지면서 인간의 생활 환경 속에서도 로봇이 행동할 수 있게 됐다. 또한 로봇을 착용함으로써 신체적 능력을 보조ㆍ확장하여 직립보행을 돕거나 기능을 습득하는 등 작업의 자동화를 위한 로봇 개발과는 다른 인간의 행동 가능성을 확장시키는 로보틱스에 대한 관심이 높아지고 있다.

 

로봇과 인간이 긴밀하게 연관되어 가치를 창출하는 데 있어 빼놓을 수 없는 것이 인터랙션 연구이다. 기계가 인간과 의사소통하거나 지원하게 하려면 사용자의 의도나 환경의 상황을 계측ㆍ추정하고 적절한 타이밍과 프로세스로 반응해야 한다. 또한 인간과 접촉하기에 안전한 소재나 메커니즘을 탑재하고, 사용자 측의 직감적인 상황 이해에 도움이 되는 인터페이스나 피드백을 제시하는 방법을 마련해야 한다.

이처럼 연구개발의 요소에 인간의 존재가 강력하게 연관되는 기술을 개발하는 것은 다른 로보틱스 연구 영역에서는 볼 수 없는 특징이며, 그것이 해다 영역을 탐구하는 의의라 할 수 있다.

 

또한 인터랙션 연구를 전개할 때는 로봇공학, 메카트로닉스, 센싱 기술, 네트워크 기술, 디스플레이 기술, 기계학습을 비롯하여 웨어러블 기술, 인간 증강 공학 등의 인간 공학ㆍ인지 심리학적 지식, 그리고 최근에는 안전도ㆍ근전도의 활용 및 뇌 계측, BMI(브레인 머신 인터페이스) 등의 신경과학적 접근방식도 중요시되고 있다.

이러한 학제적 측면에 비추어 보면, 해당 영역은 분야 횡단적인 연구개발을 통해 새로운 지식을 창출하는 개척 분야로서도 의의가 깊다.

 

또한 학제 연구를 통해 배양되는 새로운 인터랙션 기술은 곧 사회의 활성화 및 산업의 경쟁력 강화로 이어지게 된다.

예를 들어, 로봇의 신체를 자신의 신체처럼 자유자재로 원격 조작하는 연구는 신체의 부자유 및 지리적인 이유로 사회에 참여하기 어려운 사람들의 행동 가능성을 확장시킨다.

또한 세계 각지 및 우주에 있는 로봇을 원격 조작하여 여러 가지 오퍼레이션을 할 수 있게 되면, 국경을 불문하고 활약하는 개인이 더욱 증가할 것으로 예상된다. 그러므로 차세대 가치 창출 및 경쟁력을 뒷받침하는 기반 기술로서 해당 영역의 의의는 향후 점점 더 커질 것으로 판단된다.

 

1. 연구개발 주요 동향

 

인터랙션 연구 분야는 HCI(휴먼 컴퓨터 인터랙션/휴먼 인터페이스)라고도 불리며, 조기에는 주로 컴퓨터나 스마트폰 등의 정보기기와의 인터페이스 요소 기술(그래픽 사용자 인터페이스 및 인터랙션 디자인 등)을 연구개발 대상으로 삼았다. 그 발전 과정에서 물리 공간에 존재하는 로봇을 인터페이스로 삼는 연구가 부흥했고, HRI(휴먼 로봇 인터랙션) 영역이 확립됐다. HRI 영역에서는 작업을 자동화하기 위한 로봇 개발과는 다른 접근방식을 잇따라 제창했다.

 

HRI는 흔히 인공지능(AI), 로보틱스(Robotics)등의 인간을 대하는 로봇 기술의 일종으로 알려졌으나, 로봇의 존재성에 대해서 사유하는 인문학, 인간이 로봇을 인지하는 원리를 탐구하는 사회과학, 인간에게 적절한 로봇의 상호작용 방식을 설계하는 디자인학을 포함하는 다학제적 연구가 HRI 연구의 본질에 가깝다고 할 수 있다.

따라서 인간이 로봇을 이해하는 방식과 로봇에게 기대하는 사회적 의미에 대한 과학적 분석, 그 결과를 바탕으로 로봇의 상호작용 방식을 구체적으로 설계하는 일련의 과정은 엔지니어와 과학자, 디자이너 간의 긴밀한 협업을 요구하며 이는 인간과 상호작용이 가능한 로봇 기술의 성공적인 구현의 밑바탕이 된다.

 

로봇과 인간이 대화하고 관계를 쌓고 공생하기 위한 사회적 요인 등을 대상으로 하는 공생 인터랙션 연구에서는 인간과 안전하게 접촉할 수 있는 로봇의 피부 및 내부 메커니즘, 강하고 유연한 음성인식 기술 개발, 그리고 욕구, 의도, 행동ㆍ대화의 계층 모델을 구축하고 있다.

 

다른 존재로서의 로봇이 아니라 인간과 일체적으로 관계를 맺는 로봇에 대한 연구개발도 이루어지고 있다. 생체 전위 신호를 센싱하고 사용자의 운동을 지원하는 파워슈트는 여러 기업에서 제품화했다.

또한 기존의 파워슈트와는 달리 장착한 사람의 세 번째, 네 번째 팔과 다리가 된 것처럼 새로운 신체 부위로서 기능하도록 하는 웨어러블 로봇의 개념이 제창되어 MIT의 Harry Asada 등의 연구팀을 비롯하여 여러 국가에서 연구가 이루어지고 있다.

최근에는 웨어러블 로봇을 탈착한 상태에서도 신체의 일부로 조작할 수 있도록 하는 접근방식도 제안되고 있다. 로봇을 신체의 일부로 몸에 두르거나 원격으로 조작한다는 발상은 인간과 기계와 정보ㆍ환경의 관계성을 재고하게 만든다.

 

<그림1>  MIT의 robotic limbs

자료 : 동영상(유튜브) : https://www.youtube.com/watch?v=LkXpldrhRm4

 

인간을 둘러싼 물리 공간의 정보를 정보 공간에 입력하는 IoT 기술의 발전, 정보 공간에 축적된 빅데이터와 그 분석 기술인 기계학습의 발전은 더욱 복잡하고 유연한 인터랙션 연구의 길을 열어주고 있다.

예를 들어, 일본 JST CREST ‘인간과 정보 환경의 공생 인터랙션 기반 기술 창출과 전개’ 영역에서는 인간과 기계, 그리고 환경 전체를 포함한 다양한 형태를 상정하는 인터랙션 지원 기술에 대한 연구개발이 전개됐다. 거기서는 공중 초음파에 의한 촉각 제시법을 비롯하여 기능 전수를 위한 웨어러블한 역각 피드백 시스템 개발, 그리고 뇌 활동 계측을 활용하는 가상 신체 부위 조작 방법 개발 등 HRI의 영역을 넓히는 연구가 적극적으로 이루어진다.

 

이러한 전개로 인해, HRI, 로봇 공학, 메카트로닉스, 센싱 기술, 디스플레이 기술, 웨어러블 기술, 인간 공학 등을 통합적으로 다루는 연구 영역으로서 인간 증강(Human Augmentation)이라는 새로운 흐름이 형성되었고, 성행하게 됐다.

인간 증강에서는 인간이 가진 감각이나 운동 기능, 지적 처리 능력을 물리적ㆍ정보적으로 보완ㆍ확장ㆍ증강하여 신체 능력에 상관없이 스스로 하고 싶은 일을 자유롭게 행하는 기술을 확립하는 것을 목적으로 한다.

 

이미 언급한 것처럼 HRI에서는 하드웨어 및 소프트웨어의 개발뿐만 아니라 인간 측의 이해도 꼭 얻어야 한다. 특히 로봇(가상의 신체 포함)과 인간이 일체적으로 행동하여 얻게 되는 신기한 인터랙션 체험의 심리적ㆍ신경과학적 영향에 대해 인지 신경과학 영역과 협력하여 연구해야 한다. 오늘날에는 미국, 영국, 스위스, 일본 등 각국에서 인간 증강 기술에 따른 촉각 및 신체 감각에 관한 신경 메커니즘의 변용을 해명하려는 움직임을 보이고 있다.

 

다만, 이러한 기술의 발전이 인간 행동 및 사회에 어떤 영향을 미칠지, 사회는 어떻게 새로운 기술의 편리함을 누리면서도 잘 제어할 수 있을지에 대한 검토를 연구개발 단계에서 소홀히 해서는 안된다. 이 점과 관련해서는 과학 기술 윤리학에 대한 지식을 참고해야 한다.

최근 ChatGPT와 같은 LLM(대규모 언어모델)이 등장하면서 로봇이 불완전한 명령이나 환경 인식을 해석할 수 있는 가능성에 대한 관심이 높아지고 있다. 즉, 세부적인 상황에 대한 코딩 작업 없이도 인간과 유사한 형태의 명령과 수행이 가능할 것으로 보인다.

 

정리해 보면, 오늘날에는 인간ㆍ기계ㆍ환경의 인터랙션이 더욱 유연하고 복잡해지고 있으며, HRI 영역은 가상의 신체와의 인터랙션 및 인간 측의 인지 등의 영역과 깊이 연관되어 있다. 이러한 HRI 기술을 통해 인간의 행동 가능성이 확장되는 한편, 그 심리적ㆍ신경과학적인 영향 및 신기술의 사회적 수용에 대한 의논에 주의를 기울여야 한다.

 

인간 증강(Human Augmentation) 시장 규모가 2021년 1,317억 달러에서 2026년 3,412억 달러로 연간 21% 성장할 전망이다. 마켓앤마켓은 인체에 착용하지 않는(Non-body-worn) 인간 증강 제품의 성장률이 가장 높을 것으로 예상했다.

게임 및 엔터테인먼트 애플리케이션을 위한 증강현실 및 가상현실 장치용 몰입형 콘텐츠의 수요가 증가하면서, 신체에 착용하지 않는 제품이 시장 성장을 주도할 것으로 전망했다.

 

2. 기술 토픽별 개발 동향

 

2-1.  사이버네틱 아바타

 

‘대신하는 신체’를 뜻하는 사이버네틱 아바타는 인간이 자신의 분신을 원격 조작하는 등의 문맥에서 HRI 연구의 방향성에 영향을 미치는 개념이다. 대신하는 신체는 물리적인 로봇일 수도 있고, 정보 공간에서의 아바타일 수도 있다. 인형일 수도 있고 다른 형태의 신체일 수도 있다. 단일한 것일 수도 여러 개의 신체일 수도 있다. 사용자 본인만 조작할 수도 있고 시스템이나 다른 사용자가 개입하여 협조적으로 행동할 수도 있다.

이 개념은 원격 작업, 인간 기계 협력, 정보 공간에서의 휴먼 아바타 인터랙션과 같은 영역에서 사용됨으로써, HRI의 설계 자유도를 비약적으로 확장시킴. 연구개발에 있어서는 사이버네틱 아바타를 사용하는 새로운 행동 방식을 체험할 수 있는 형태로 제시해야 한다. 그와 병행하여 타고난 신체와는 다른 새로운 신체 및 그 기능에 인간이 어떻게 적응할지, 시스템이 어떻게 적절하게 지원해야 하는지, 하는 과제를 해결해야 한다.

 

해당 개념을 내건 연구는, 일본의 문숏형 연구개발 제도 ‘신체적 공동 가치를 창출하는 사이버네틱 아바타 기술과 사회 기반 개발’에서 적극적으로 이루어지고 있다.

이 제도의 첫 번째 목표는 '2050년까지 신체, 뇌, 공간, 시간의 제약으로부터 사람이 해방되는 사회를 실현한다'이다. 이러한 사회의 실현을 위해 주목받고 있는 것이 '사이버네틱 아바타'이다. 일본 정부는 해당기술을 영상이나 로봇에 그치지 않고 사람의 신체능력, 인지능력 및 지각능력을 확장해 ICT와 로봇기술을 포함한 개념으로 정의했다. 해당 연구개발의 구체적인 목표는 다음과 같다.

▪ 2050년까지 여러 사람이 원격 조작하는 다수의 아바타와 로봇을 조합함으로써 규모가 크고 복잡한 작업을 실행할 수 있는 기술을 개발하고 운용 등에 필요한 기반을 구축한다.

▪ 2030년까지 하나의 작업에 한 명이 10개 이상 아바타를, 아바타 1개인 경우와 동등한 속도, 정밀도로 조작할 수 있는 기술을 개발하고 운용 등에 필요한 기반을 구축한다.

▪ 2050년까지 원하는 사람은 누구나 신체능력, 인지능력 및 지각능력을 최고 수준까지 확장할 수 있는 기술을 개발해 사회통념에 입각한 새로운 라이프스타일을 보급한다.

▪ 2030년까지 원하는 사람은 누구나 특정 작업에서 신체능력, 인지능력 및 지각능력을 강화할 수 있는 기술을 개발해 사회통념에 입각한 새로운 라이프스타일을 제안한다.

 

<그림2> 신체적 공동 가치를 창출하는 사이버네틱 아바타 기술과 사회 기반 개발

- 일본의 문숏형 연구개발 제도 -

자료 : https://www.jst.go.jp/

 

2-2. 투명한 개입

 

원활한 HRI 및 인간 증강을 실현하는 데 있어 사용자의 의도나 행동을 정확하게 검출ㆍ예측하는 것이 매우 중요하다. 최근에는 센서 기술 및 기계학습의 발전으로 인해 그 정밀도가 실용 수준에 도달했다. 하지만 사용자가 기계의 도움을 받고 있음을 지각(知覺)하게 되면 스스로 행동하고 있다는 느낌(행위 주체감)이 저해되어, 기계에 조종 받고 있는 듯한 경험을 하게 된다. 또한 최근에는 행위 주체감을 유지하는 개입이 사용자의 원래의 운동 능력을 향상시킨다는 결과도 보고되고 있다.

그러므로 사용자의 지각을 자극하여 기계나 환경이 은근하게 지원하는 ‘투명한 개입’의 설계 방법을 개발하는 일이 더욱 주목받게 될 것으로 판단된다.

 

2-3.  메타버스(공동 가치 창출/시행착오)

 

정보 공간 안에 사회 및 서비스를 구축하는 메타버스는 물리 모델 및 기계학습을 활용하는 복잡한 시뮬레이션 및 가상 검증이 가능한 연구개발 플랫폼으로 활용할 수 있다. Microsoft나 Meta와 같은 빅테크에서의 개발도 성행하고 있어, HMD를 비롯한 고품질 디바이스의 실용화가 이루어지고 있다.

HRI가 개발하는 프로토타입 제작과 검증을 물리 공간에서 정보 공간으로 옮길 수 있게 되면, 정보 공간상에서 다양한 패턴의 인터랙션을 시뮬레이션하고, 최선의 결과만을 물리적으로 적용하는 효율적인 기술을 개발할 수 있다. 로봇 연구ㆍ개발 및 서비스 탐색ㆍ검증에 가해지는 임팩트는 3D 프린터 및 레이저 커터 등의 기존 래피드 프로토타입을 뛰어넘을 것으로 예상된다.

 

또한 메타버스를 기능 훈련ㆍ습득에 사용하는 접근방식도 흥미롭다. 메타버스를 활용하면 중력 가속도와 같은 물리 모델의 파라미터를 기능 수준에 맞춰 조정할 수 있고, 숙련자의 움직임을 견본으로 삼아 슬로우 재생할 수도 있다.

또한 근육 트레이닝에 응용할 수 있는 가능성도 있다. 또한 이러한 접근방식은 사이버네틱 아바타를 이용하는 신기한 신체를 제대로 사용하기 위한 학습 플랫폼에도 응용할 수 있기 때문에, 차세대 HRI의 연구개발 및 산업 응용에 널리 이용될 것으로 예상된다.

 

2-4.  산업 응용

 

○ HRI의 더욱 구체적인 산업 응용 동향도 주목할 만한 가치가 있다.

 

<그림3> 분신 로봇 카페

동영상(유튜브) : https://www.youtube.com/watch?v=P09UJHtvRQM

 

일본 주식회사 오리연구소가 전개하는 분신 로봇 카페는 원격 조작 로봇을 통해 외출하기 어려운 사람들이 카페 점원으로 일할 수 있도록 하는 등 기술을 활용하는 새로운 사회 참여 사례를 제안했다.

또한 GITAI USA Inc./GITAI Japan 주식회사는 우주 공간이나 달로 보낸 로봇 신체를 지구에서 원격 조작함으로써 안전하고 효율적으로 우주 산업을 개척하기 위한 실증실험을 잇따라 성공시켰다.

 

2-5.  브레인 테크의 응용

 

뇌 활동 신호를 이용하는 인터페이스 BMI를 비롯한 브레인 테크는 더욱 직감적인 조작 시스템의 실용화 및 자각하지 못하는 신체 내 상태의 피드백이 가능할 것으로 기대된다.

사이버네틱 아바타의 조작에서 브레인 테크를 응용하게 되면, 인간의 행동 가능성은 더욱 확장될 것으로 판단된다. 비침습적이며 정확한 신호 검출ㆍ방대한 데이터 처리 방식의 발전이 이루어질 것으로 생각되는데, BMI에 의한 로봇암 조작 실험 등 흥미로운 성과가 보고되기 시작하고 있다.

 

3. 향후 기술 과제

 

인터랙션 기술의 학제 측면을 살펴보면, 앞으로도 융합적으로 다양한 연구자가 협력하여 연구를 추진해야 한다.

예를 들어, 뇌 계측을 통한 신경 신호 활용 및 신경 메커니즘의 변용을 해명하고자 한다면, 뇌의 특성과 그 정보를 읽어 들이는 부위 및 방법을 숙지하고 있는 인지 신경과학 분야의 연구자와 협동해야 한다.

또한 기계학습 분야와도 협력을 촉진해야 한다. 특히 인간 행동 지원에 있어서는, 인간이 스스로의 거동과 기계의 도움을 얼마나 원활하게 전환하는지가 과제라 할 수 있다.

이것은 앞서 기술한 ‘투명한 개입’에 있어서도 중요하며, 이러한 과제에 대한 기술적인 발전이 없다면 HRI을 통한 풍요로운 경험을 창출하는 데 한계가 있게 될 것이다.

또한, 최근 ChatGPT와 같은 LLM(대규모 언어모델)이 등장하면서 로봇이 불완전한 명령이나 환경 인식을 해석할 수 있는 가능성에 대한 관심이 높아지고 있다. 즉, 세부적인 상황에 대한 코딩 작업 없이도 인간과 유사한 형태의 명령과 수행이 가능할 것으로 보인다. 추가적으로 로봇이 인간과 상호 작용하는 방식이 안전하고 윤리적인지 확인하는 것도 중요하다.

 

그에 더해 촉각을 통한 다른 사람의 기척 전달 또는 다른 사람과의 생각(의도) 공유가 기술적으로 어떻게 실현될 수 있을지도 흥미로운 과제라 할 수 있다.

예를 들어, 사람들이 무거운 물건을 협력하여 운반할 때, 운반물을 통해 전해지는 촉각을 통해 다른 사람이 서두르고 싶어 하는지 어디로 움직이려 하는지와 같은 의도를 유추할 수 있다.

 

HRI에서 이러한 감각 제시를 응용한다면, 새로운 의사소통의 접근방식이 열리게 된다. 최근 물건의 감촉이나 다른 사람과의 접촉을 전달한다는 관점에서 눈부신 전개를 보이고 있는 촉각 연구지만, 협력을 전제로 하는 기미 전달 및 생각(의도) 공유라는 점에서는 HRI 영역이 탐구해야 하는 과제가 아직은 많이 남아 있다.

 

 

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