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바이오/의료 곤충의 움직임을 모방하여 진화하는 로봇

  • 관리자 (irsglobal1)
  • 2021-05-15 21:08:00
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곤충은 다양한 상황에 따라 보행 패턴이나 보행 속도를 즉각적으로 조정할 수 있으며, 크기나 형태가 달라도 같은 패턴으로 이동할 수 있다. 이러한 능력을 로봇에 응용하는 연구는 이전부터 진행되어 왔지만, 곤충의 독자적인 신체적 특징인 6개의 다리에 의한 보행 제어는 복잡하여, 모방하기 어렵다.

 

도쿄공업대학의 고이케 야스하루 교수의 연구팀은 윗층에서 전체적인 움직임을 제어하고 아래층에서 개별적으로 다리를 제어하는 2계층 구조의 육각 로봇 제어 장치를 개발했다. (사진1) 이러한 구조에 의해 육각 로봇의 동작과 속도, 자세 등을 제어할 수 있게 되었다.

 

<그림1> 육각 로봇이 멈춘 모습. 왼쪽은 개미가 멈춰 있는 모습을 따라 한 것이며, 오른쪽은 바퀴벌레가 멈춰 있는 모습을 따라 한 것이다.

 

곤충뿐 아니라 많은 동물들은 이족보행을 하는 인간에 비해 경사면이나 자갈밭 등 불규칙한 면에서도 보행을 잘한다. 또한 차량형 로봇의 경우, 아무리 최첨단 로봇이라도 들어갈 수 없는 장소가 있다. 고이케 교수는 이 제어 장치를 인간의 뇌와 연계하여, 생각하는 것만으로도 로봇의 움직임을 제어할 수 있을 것으로 기대한다. 인간이 원격지에서 직감적으로 조작할 수 있으면, 재해 시 폐허 더미 속에서 피해자를 찾는 로봇을 만들 수 있다.

 

플라잉 로봇과 관련해서는, 새가 날갯짓하는 동작이나 신체 구조 등을 모방하여, 빠르게 장거리 무착륙 비행을 실현하려는 연구가 진행되고 있다. 한편 날개를 가진 곤충을 모방하면, 새만큼 장거리를 이동할 수는 없어도 작은 크기를 살려 다양한 장소에 들어갈 수 있는 로봇을 만들 수 있다. 크기가 작으면 배터리를 싣지 않고 태양전지 등을 통해 장시간 작동시킬 수 있다.

 

곤충이 작은 몸으로 강력하고 기민하게 날 수 있는 이유 중 하나는 4장의 날개 덕분이라고 생각된다. 2장이 한 쌍으로 이루어진 4장의 날개를 통해 비행 방향과 사방의 흔들림을 조정하여 미세한 컨트롤을 할 수 있다. 하지만 기존의 연구에서는 적재 능력과 무게 때문에 외부 전원을 공급하지 않고 곤충 크기의 로봇을 비행시키는 일이 쉽지 않았다.

 

하버드대학의 연구팀은 에너지 변환 시스템과 기계 시스템을 최대한 가볍게 만들어, 약 2cm의 얇은 날개 4장을 가진 소형 드론 ‘RoboBee-X-Wing’을 개발했다. RoboBee-X-Wing은 곤충처럼 4장의 날개를 움직여 양력을 발생시킴으로써 전력 소비를 높이지 않고 양력을 향상할 수 있다.

 

<그림2> 하버드대학이 개발한 태양 전지로 비행하는 ‘RoboBee-X-Wing’

 

RoboBee-X-Wing 크기는 지름이 약 8cm, 무게는 0.26g 정도이며, 60mg의 태양광 발전 패널을 탑재하고 있어 빛을 쬐면 비행하는 데 필요한 전원을 얻는다. 이로 인해 이론상으로는 빛이 있는 곳이라면 끝없이 날 수 있다.

 

사이보그 곤충 연구에서 냄새 탐색 로봇을 꿈꾼다

 

곤충은 시시각각 변화하는 환경으로부터 필요한 정보를 수집하면서 적절한 행동을 취한다. 곤충이 가진 이러한 적응 능력을 시스템 제어에 응용하면, 미지의 환경이나 장애물에 강한 로봇을 만들 수 있다. 그래서 곤충의 신체 기능을 로봇이 모방하는 것뿐 아니라 곤충의 뇌가 가진 신경세포(뉴런)를 따라 하여 로봇을 제어하는 연구도 진행되고 있다.

 

도쿄대학 첨단과학 기술연구센터의 간자키 료헤이 교수는 나방의 일종인 누에나방의 뇌의 정밀한 신경 회로 모델을 재현하여, 곤충 자신이 조종하는 로봇 및 뇌가 만들어내는 신호로 페로몬을 좇는 로봇을 만들었다.

 

사실 곤충의 뇌의 부피는 인간의 뇌의 100만 분의 1 정도밖에 되지 않지만, 몇 km나 떨어진 곳에서 나는 냄새를 맡거나 그곳을 향해 이동하는 중에 충돌하지도 않고 쏜살같이 빠르게 이동하는 능력을 갖고 있다. 예를 들어, 수컷 누에나방은 암컷 누에나방이 내보내는 페로몬 향에 반응한다. 수컷의 촉각이 냄새를 감지하면 자극을 받은 방향으로 직진하고, 냄새가 사라지면 지그재그로 움직이며 회전한다.

 

간자키 교수는 먼저 누에나방의 신경 세포 활동을 계측하여 분석한 다음, 그 데이터베이스를 바탕으로 신경회로를 조립하여 인공적인 뇌를 만들었다. 한편, 누에나방이 조종하는 ‘곤충 조종형 로봇’을 시험 제작하고, 인공적인 뇌가 조종하는 로봇의 행동과 비교하는 실험을 했다.

 

<그림3> 누에나방이 조종하여 페로몬의 냄새를 찾는 ‘곤충 조종형 로봇’

 

곤충 조종형 로봇을 탄 수컷 누에나방은 암컷의 페로몬 냄새를 맡으면 탐색 행동을 시작하고, 자신의 보행 행동에 따라 공을 회전시킨다. 그 공의 회전을 광학센서로 읽어 들여, 로봇의 행동으로 변환하였다. 그렇게 함으로써 곤충 조종형 로봇은 누에나방과 같이 페로몬의 냄새를 향해 나아간다.

 

다음으로 간자키 교수는 누에나방의 냄새 센서인 촉각과 뇌가 위치한 머리 부분만을 로봇에 싣고, 신체는 이동 로봇으로 대체한 ‘곤충 뇌 조종형 로봇(사이보그 곤충)’을 만들었다. (사진4) 사이보그 곤충을 사용하는 연구로 인해, 뇌에서 내려진 어떤 명령이 냄새의 근원을 탐색하는 명령인지 밝혀졌다. 냄새의 근원을 탐색하는 명령은 뇌내 신경회로에 의해 만들어지는데, 그 구조를 밝혀 신경회로 모델을 통해 로봇을 움직이게 하면, 곤충과 기계가 융합한 냄새 근원 탐색 로봇을 만들 수 있다.

 

<그림4> 누에나방의 뇌가 기계의 신체를 조종하는 ‘사이보그 곤충’

 

야생 동물도 예민한 후각을 갖고 있지만, 일반적으로 동물의 뇌는 곤충에 비해 훨씬 크다. 뇌과학 분야에서 보면, 곤충 연구의 장점은 동물에 비해 뇌세포 수가 압도적으로 적다는 것이다. 한편, 곤충이든 동물이든 신경회로는 거의 같기 때문에, 수가 적은 만큼 연구 대상으로서 더 알맞다고 할 수 있다.

 

누에나방의 유전자는 거의 해명되었으므로, 페로몬의 냄새를 느끼는 센서(유전자)를 유전자 변환을 통해 마약 냄새에 반응하게 만들면, 마약견이 아니라 ‘마약 탐지 로봇’을 만들 수 있고, 가스 냄새에 반응하게 하면 ‘가스 탐지 로봇’을 만들 수 있다.

 

 

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