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뭉쳐야 산다! 군집로봇

2016.03.16 09:30


안녕하세요? LG CNS 대학생 기자단 석승연입니다.


1960년대의 만화영화 우주소년 아톰에서부터 최근의 월-E, 트랜스포머 등에 이르기까지 로봇은 언제나 인간의 상상 속에서 존재해왔고, 또 진화해 왔습니다. 그렇다면, 현실에서 로봇은 어디까지 진화했을까요? 보통 현실의 로봇이라고 하면 혼다에서 만든 ‘아시모’나 카이스트에서 만든 ‘휴보’ 같은 휴머노이드 로봇을 가장 먼저 떠올리실 텐데요. 오늘 소개해드릴 주인공 로봇은 아시모나 휴보보다는 훨씬 작지만, 여럿이 모여 커다란 힘을 발휘하는 ‘군집로봇’입니다.


<카이스트의 휴보 (출처: 카이스트 홈페이지)> 

‘군집’이란 ‘일정한 지역 내에서 생활하고 있는 생물들의 모임’을 뜻하는데요. 대표적인 군집 생물로는 개미가 있습니다. 개미는 수많은 개체가 각자의 역할을 갖고 하나의 조직사회를 꾸리는데요. 군집로봇 역시 개미처럼 다수의 로봇이 상호작용하거나 외부환경을 인지하며 집단 행위를 합니다. 


군집로봇은 크게 두 가지로 분류할 수 있는데요. 한 종류의 로봇으로 이뤄진 경우를 ‘스웜봇(Swarm bot)’이라고 하고, 다양한 기능을 갖고 서로 보완관계에 있는 두 종 이상의 로봇으로 이뤄진 경우를 ‘스워마노이드(Swarmanoid)’라고 합니다.


로봇은 모든 현대 과학기술의 집약체라고 할 수 있는데요. 로봇이 특정 임무를 수행하기 위해서는 높은 지능과 자율성을 가져야 하기 때문에 제작이 상당히 어렵고 비용 또한 많이 들어가게 됩니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 단순한 기능을 가진 여러 대의 로봇이 함께 모여 서로 협력해 공동 임무를 수행함으로써 시너지를 낼 수 있는 군집로봇이 최근 주목을 받고 있습니다. 

그렇다면 군집로봇은 어떤 원리로 무리를 지어 임무를 수행하는 걸까요? 군집로봇은 인간이 직접 조종할 필요 없이 간단한 알고리즘을 통해서 스스로 움직이는데요. ‘킬로봇(Kilobot)’이라는 군집로봇을 개발한 미국 하버드대의 라드히카 나그팔(Radhika Nagpal) 교수는 킬로봇의 시스템에 대해 ‘자연에서 볼 수 있는 간단하고 단순한 생물학적 시스템을 모방한 것’이라고 했습니다. 


자연계에서는 수십조 개의 세포가 하나의 개체를 형성한다든지, 수백만 마리의 개미나 벌이 하나의 군집을 형성해서 매우 놀라운 일을 해낼 수 있는데요. 이들은 의외로 간단한 규칙에 따라서 행동한다고 알려져 있습니다.


군집로봇의 특징 역시 ‘단순함’입니다. 메모리를 가지고 있지 않아도 되고 계산을 수행할 필요도 없으며, 단지 환경에 대한 약간의 정보만을 필요로 합니다. 주변 로봇들과 충돌하지 않고 움직이기 위한 정교하지만 단순한 알고리즘이 군집로봇이 임무를 수행하는 원리라고 할 수 있습니다.


킬로봇(Kilobot)은 미국 하버드대 자가조직시스템센터 연구진이 개발한 로봇입니다. 1,000여 개의 로봇으로 이루어져 있어 숫자 1,000을 의미하는 ‘Kilos’에 로봇의 접미사인 ‘bot’을 붙여 만든 이름으로, 대량 생산이 가능한 작고 저렴한 로봇입니다.

 

<킬로봇 (출처: https://goo.gl/bNY421)>


1,000여 개의 작은 로봇 하나하나에는 마이크로 컨트롤러와 자외선 센서, 통신을 위한 전송기 등이 들어있습니다. 킬로봇은 진동 모터가 달린 3개의 지지대를 이용해 움직이는데요. 이들은 곁에 있는 동료 로봇과 실시간으로 통신하면서 자신이 어디에 위치할 것인지를 결정하고 곁에 있는 로봇에게 움직일 것을 명령합니다. 

먼저 4개의 킬로봇이 좌표의 중심을 형성하면, 이 로봇들이 주변의 다른 로봇들에게 완성해야 할 이미지를 전송해서 모든 로봇들이 완성해야 할 이미지를 저장하게 됩니다. 그리고 각 로봇들은 적외선 송수신기를 통해 좌표 로봇과의 거리와 주변 로봇과의 거리를 측정해서 자신의 자리를 찾을 때까지 움직여서 최종 결과물을 만들어 내게 됩니다. 
 

<지시한 모양을 만들어내는 킬로봇 (출처: http://goo.gl/vJ6QYT)>


아직은 하나의 모양을 만들어내는데 6시간에서 12시간 정도로 시간이 많이 걸립니다. 하지만 킬로봇이 더 작아지고 정교해진다면, 오염 지역에 들어가서 환경을 정화하거나 서로 결합해 건축물을 만드는 등 여러 가지 임무를 수행할 수 있을 것으로 기대되고 있습니다. 
 

<바이오봇 (출처: https://goo.gl/jDbTIw)>


미국 노스캐롤라이나 주립대 연구진은 무너진 건물과 같은 미지의 환경에 대해 지도를 작성할 수 있는 바이오봇(Biobot)이라고 불리는 곤충 사이보그 무리를 개발했습니다. 바이오봇은 원격제어가 가능하며 각각 전자 센서를 탑재하고 있습니다. 


붕괴된 건물이나 접근이 어려운 지역에 바이오봇을 풀어주면, 처음에는 바이오봇 무리가 무작위로 이동하게 되는데요. 바이오봇 무리는 무작위 운동을 여러 차례 반복하면서 서로 근접할 때마다 탑재된 전자 센서의 전파를 통해 연구자들에게 위치를 알려주게 됩니다. 그러면 소프트웨어는 바이오봇의 센서 데이터를 이용해 거친 지도를 만들어낼 수 있다고 합니다. 바이오봇은 재난 상황 등에서 응급구조 대원들에게 큰 도움을 줄 수 있을 것으로 예상됩니다.

 

<제로스의 편대제어 모습 (출처: http://goo.gl/siB6GG)>

 

제로스(JEROS, Jellyfish Elimination Robotic Swarm)는 카이스트 건설 및 환경공학과 교수팀이 개발한 로봇으로 9개의 로봇이 군집을 이룬 해파리 퇴치용 로봇인데요. 가로 1.5m, 세로 1.2m의 크기로 GPS 안테나를 갖추고 있어 바닷속에서도 위치를 파악할 수 있도록 제작되었습니다.


제로스는 킬로봇처럼 리더 로봇을 중심으로 나머지 8대 로봇이 일정한 거리와 각도를 유지하면서 이동하는데요. 철새가 맨 앞에 있는 리더를 중심으로 V자 형태로 비행하는 방식에 착안하여, 선도 로봇만이 경로를 인지하고 다른 로봇들은 무선통신을 이용해 서로의 위치를 주고 받으면서 편대를 유지하며 이동할 수 있게 되어있습니다. 선도 로봇을 제외한 나머지 로봇은 개별적인 제어가 필요하지 않아 비용을 크게 절감할 수 있다는 장점이 있습니다.


제로스의 현장 시험 결과에 따르면, 3대의 군집로봇이 시속 7.2km의 속도로 진행했을 때 처리 용량이 시간당 약 900kg에 달하는 것으로 나타났습니다. 차후에는 해파리 제거 외에도 해양 순찰 및 경계, 원유 유출 방지, 부유 쓰레기 제거 등 다양한 목적으로 활용할 계획이라고 합니다.


<아마존 물류 창고의 키바 로봇 (출처: http://goo.gl/UOZVC1)> 


아마존은 키바시스템즈(Kiva Systems)를 2012년 7억 7,500만 달러라는 거금을 들여 인수한 후 현재 15,000여 대의 키바 로봇을 자사의 물류 센터를 운용하는 데 사용하고 있습니다. 로봇은 사람을 대체하는 목적이 아니라 사람의 작업을 훨씬 수월하게 돕는 역할을 하는데요. 키바 로봇은 군집로봇 기술을 활용하여 수십 대의 로봇들이 서로 충돌하지 않고 창고에서 효율적으로 움직일 수 있다고 합니다. 

키바 로봇은 약 340kg의 화물을 실어 나를 수 있고 약 6.4km/h 속도로 움직일 수 있으며, 바닥에 그려진 바코드를 이용해 자신의 위치를 파악하고 로봇들 간의 통신을 통해 움직인다고 하는데요. 키바 로봇을 이용함으로써 시간당 600여 개의 물건을 처리하며 90분이 걸리던 주문 처리 작업을 15분으로 단축할 수 있었다고 합니다.

지금까지 다양한 군집로봇의 사례에 대해 살펴보았습니다. 여러 가지 사례를 살펴보면서 군집로봇의 몇 가지 공통점을 파악할 수 있었는데요. 바로 생물학적 시스템에서 작동원리를 착안하였다는 점과 단순한 알고리즘으로 비용절감과 효율성을 확보하였다는 점, 그리고 중앙컴퓨터의 제어가 아닌 로봇들 간의 통신을 이용해 움직인다는 점입니다. 

군집로봇 분야의 권위자인 제임스 맥러킨(James McLurkin) 박사는 미국 켄터키주 루이스빌에서 열린 ‘아이디어 페스티벌(Idea Festival) 2015’에서 로봇의 미래는 ‘군집’에 있다며, 군집로봇 기술의 중요성에 대해 강조했습니다. 제임스 맥러킨 박사가 현재 구글에서 군집로봇 연구 및 개발을 맡고 있는 만큼, 구글 역시 향후 군집로봇 개발에 역점을 둘 것으로 예상할 수 있습니다. 

우리나라 정부에서도 군집로봇의 중요성을 인식하고 투자를 늘려가고 있다고 하는데요. 앞으로 단순함과 저비용을 무기로 산업현장이나 재난현장에서 종횡무진 활약할 군집로봇의 모습이 기대됩니다.




Posted by IT로 만드는 새로운 미래를 열어갑니다 LG CNS
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