신기술동향 - 국방생체모방 자율로봇 특화연구센터

[chahlley18]

국방생체모방 자율로봇 특화연구센터

(Bio-Mimetic Robot Research Center)

조동일 센터장 전기정보공학부 교수

서울공대지 2018 Winter No. 107

생체모방로봇은 생물체들의 최적화된 우수한 특성을 모방함으로써 기존 로봇들의 한계점들을 극복 하기 위해 연구 되고 있다. 예를 들어 보편적인 로봇처럼 이동수단이 두개의 다리 또는 바퀴로 한 정되어 있다면 진입 가능한 환경이 제한적일 수 밖에 없다. 생체모방로봇은 뛰고, 기고, 날 수 있는 생체를 모방한 메커니즘을 활용하여 국방, 재난, 건설 등 다양한 분야에 적용 가능할 것으로 기대되 고 있다. 그림 1은 이러한 로봇의 개념을 보여주고 있다. 서울대학교 국방생체모방자율로봇 특화연 구센터는 국내의 관련 연구의 교두보를 마련하고자 2013년 10월에 설립되었으며, 9개의 대학의 총 34명 교수가 참여하여 연구하고 있다. 연구기간은 2013년부터 2021년까지 총 9년(3년씩 총 3단계 로 구성)이며, 총 연구비는 155억원이다. 본 센터의 목표는 초소형 생체모방자율로봇의 원천 기술을 연구하는 것이다. 현재 대부분의 기존 연구들은 단순 기구적, 기계공학적 접근을 취하고 있으나, 본 센터는 기계/항공, 전기/전자/제어 계측/통신, 컴퓨터공학 전문가의 집단적/통합적 접근을 기반으 로 생체모방로봇의 원천기술 연구를 진행하고 있다.

그림 1. 생체모방로봇의 개념도

현재 2단계 연구를 진행중인 본 센터는 그림 2와 같이 21개의 과 제가 5개의 연구실로 구성되어 생체모방 인식/판단 기술, 생체모 방 감지센서 기술, 생체모방 정보전달 기술, 생체모방 구조/메커니 즘 기술, 생체모방 복합거동제어 기술을 연구한다. 운영 조직은 센 터의 규정과 운영방안을 정하는 기구로 운영부장, 연구부장, 기획 부장, 교육 부장(2명), 정보 부장, 대외협력부장, 창조통합부장 총 8 명의 부장과 운영위원회, 전략위원회, 창조통합위원회 등으로 구 성되어 있다. 본 센터는 지금까지 SCI급 논문 91편을 발표했으며, 이중에서 분야 상위 20% 저명학술지에 28편의 논문을 게재하였 다. 특히 Science 1편, Nature Communication 1편, Advanced Materials 1편(front cover), Material Horizons 1편(front cover), JCR 분야 1위 학술지인 Soft Robotics와 IEEE Transactions on Industrial Electronics 에 각각 2편과 1편 게재 등의 괄목한 연구 성과를 이뤘다.

그림 2. 서울대학교 국방생체모방자율로봇 특화연구센터 구성도

생체모방 인식/판단 연구실

생체모방 인식/판단 연구실에서는 생체모방로봇의 두뇌에 해당하 는 기술을 연구한다. 인간에 비해 곤충과 같은 작은 동물의 두뇌는 신경 세포의 수가 작은 것과 마찬가지로 생체모방로봇의 경우 계산 능력과 가용한 에너지 양이 제한되어 있다는 특징이 있다. 두뇌가 수행하는 모든 기능들을 소프트웨어로 통합 구현 및 생체모방 기술 언어를 개발하는 연구과제는 컴퓨터공학부의 하순회 교수가 책임 으로 추진하고 있다. 해당 과제는 사용자가 자신이 원하는 서비스 만을 명세하여 하드웨어와 소프트웨어에 대한 지식없이 명령을 내 릴 수 있는 바이오 기술언어를 개발하고 있다. 향후 군집 로봇의 운 용을 쉽게 명세할 수 있도록 바이오 기술언어를 확장할 예정이다. 생체모방센서를 이용하여 환경을 인식하는 연구과제는 전기정보 공학부의 오성회 교수가 책임으로 추진하고 있다. 해당 과제는 센 서로부터 제한된 정보가 들어오면 이를 계산량이 적은 알고리즘을 이용하여 장애물 혹은 환경을 파악하는 것이다. 곤충의 겹눈구조 를 모방하여 저해상도 카메라 여러대로 만들어진 복합 눈을 제작하 였고, 복합 눈에서 얻은 이미지를 이용하여 장애물을 인식하는 알 고리즘을 개발하였다. 향후, 구조가 알려져 있지 않은 환경에 대하 여도 저복잡도의 알고리즘으로 인식을 하는 연구를 수행할 예정이 다. 로봇이 센서를 통해 수집한 정보를 서로 교환하여 환경 인식하 는 연구과제는 전기정보공학부의 이범희 교수가 책임으로 추진하 고 있다. 개미의 경우 여러 마리가 협동을 하여 하나의 일을 수행하 는 경우가 많은데, 해당 과제는 이러한 개미의 행동을 모방하는 군 집제어 알고리즘 개발하고 있으며, 각 로봇이 획득한 불확실한 분 산정보를 정합하고 이를 일치시키는 기술 연구를 진행하고 있다. 향후 이종 센서간의 정보를 정합 하고 일치하는 연구를 수행할 예 정이다. 생체모방센서로부터 취합한 정보를 바탕으로 판단을 하는 연구과제는 컴퓨터공학부의 장병탁 교수가 책임으로 추진하고 있 다. 사람이 무엇인가를 보거나 들었을 때 어떤 행동을 할 지를 판단 하고 결정하는 알고리즘을 개발한다. 해당 과제는 딥러닝 알고리즘을 이용하여 판단하는 연구를 진행하고있다. 딥러닝 알고리즘은 일 반적으로 계산량과 메모리 요구량이 큰 알고리즘이므로 어떻게 계 산량을 줄이면서도 판단의 정확도를 높일 수 있는지에 대하여 추후 연구를 수행할 예정이다.

그림 3. 생체모방 인식/판단

연구실 구성에서는 생체모방로봇의 다각적인 정보 획득 능력 확보를 위한 감각 센서와 에너지 하베스팅 기술을 연구 한다. 생체모방로봇은 정확한 첩보 선점 및 은밀한 작전을 수행을 위해서는 정확한 정보 획득 능력이 요구되는 반면, 유용 가능한 자 원이 제한적이다. 따라서 이러한 특성을 고려한 감시 센서 개발이 필요하다. 생체 모방로봇의 촉각, 후/미각 센서 연구과제는 기계항 공공학부의 이정훈 교수가 책임으로 추진하고 있다. 그래핀 기반의 촉각 센서는 시각 센서가 동작하기 어려운 어두운 환경에서 수행을 가능하게 한다. 향후 receptor의 범위를 확장하는 연구를 수행할 예정이다. 생체모방로봇의 시각 센서 연구과제는 전기정보공학부 의 서종모 교수가 책임으로 추진하고 있다. 이 과제에서는 마이크 로렌즈 어레이 공정을 통해 잠자리의 겹눈과 랍스터의 겹눈을 묘사 한 시각 센서를 제작하였다. 해당 시각 센서는 정보의 중요도에 따 라 다르게 전달되는 시스템이기에 전력효율이 높다. 향후 나노와이 어 포토디텍터를 모듈화하여 반구형태의 3차원 구조에 집적한 소 형시각센서를 개발하는 연구를 수행 할 예정이다. 생체모방로봇의 위치/거동 센서 연구과제는 전기정보공학부의 조동일 교수가 책임 으로 추진하고 있다. 곤충의 매우 민감한 감각수용기인 미소관과 유사한 특성을 가진 실리콘 나노와이어로 위치 거동 센서를 제작하

였다. 실리콘 나노와이어는 고종횡비 구조이면서 우수한 압저항 효 과로 고민감도 특성을 가지고 있어 초소형 생체 모방로봇에서의 구 현에 적합하다. 향후 센서의 초소형화 및 최적화 변수 도출에 대한 추후 연구를 수행할 예정이다. 생체모방로봇용 광전/전자파 에너 지 하베스팅 기술 연구과제는 전기정보공학부의 김재하 교수가 책 임으로 추진하고 있다. 해당 과제는 초저전력 에너지 하베스팅 시 스템을 구성하기 위하여 중심적인 회로인 전압 비교기 회로에 대한 trade-off를 분석하고 이를 통해 오실레이터를 활용한 비교기를 설계하였다. 추후 실제 생체모방로봇의 최대 에너지 확보를 위한 기술에 대하여 연구를 수행할 예정이다. 생체모방로봇의 전력과 중 량을 고려한 시스템 최적화 연구과제는 기계항공공학부의 김호영 교수가 책임으로 추진하고 있다. 로봇의 전력과 중량을 고려하여 풍뎅이를 대표 생체로 선정하였고 풍뎅이의 power-mass budget 을 운동 상태(정지, 지상 운동, 비행 운동) 별로 문헌 조사 및 유체 역학적 시뮬레이션을 통해 계산하였다. 추후 단일 로봇뿐만 아니라 군집 로봇에 대한 적용 및 최적화에 대한 연구를 수행할 예정이다.

생체모방 정보전달 연구실

생체모방 정보전달 연구실에서는 효율적인 임무 수행을 위하여 식 별된 정보를 상호 공유하고, 원격지의 운용자에게 획득된 다양한 정보를 신속/정확하게 전달하는데 필요한 생체모방 정보전달 기술 들을 연구한다.생체모방로봇의 RF 대안 신호 변환 전송을 개발하 는 연구과제는 전기정보공학부의 이정우 교수가 책임으로 추진하 고 있다. 해당 과제에서는 기존 RF가 아닌 새로운 개념의 다양한 대안 기술들을 조사 및 적용하여 열악한 환경에서도 신뢰성 있는 물리계층통신링크를 형성을 연구하고 있다. 향후 생체모방로봇 통 신망의 실제 구현에 대한 연구를 수행할 예정이다. 생체모방로봇의 초경량 다중개체 전송/제어 기술을 개발하는 연구과제는 전기정보 공학부의 박세웅 교수가 책임으로 추진하고 있다. 초경량 다중개체 간 전송제어 기술을 확보하고 프로토콜 탑재를 통한 시스템 적용 가능성을 확인하는 게 목표이다. 이를 위하여 비대칭전력네트워크 와 모바일을 합친 기술을 연구개발하고 있다. 향후 저전력화, 이동 성 지원, 프로토콜 경량화에 대한 연구를 수행할 예정이다. 생체기 관의 일체형 전송 메커니즘을 진행하는 연구과제는 고려대학교 전 기전자공학부의 김문일 교수가 책임으로 추진하고 있다. 초소형 로 봇 구조에 적합한 로봇 부착용 다중 안테나를 개발하고 있다. 2 cm 내외의 구조물 크기를 가진 이중 안테나를 개발하였으며 좌우 대칭 로봇 몸체 특성을 활용한 단순한 4-port 분리도 제공 장치를 구현 하였다. 향후 실제 데이터 전송 실험을 통한 Diversity Gain을 직 접 추출 하는 것에 대하여 연구를 수행할 예정이다. 네트워크 기반 생체모방 로봇 위치 추정 기술 연구과제는 전기정보공학부의 김성 철 교수가 책임으로 추진하고 있다. GPS가 없는 실내 환경에서는 실내에 설치된 AP를 이용하여 위치를 추정해야 된다. 해당 과제는 생체모방로봇의 거동 특성을 반영하면서 신호 세기와 신호 지연 시 간을 이용하여 생체모방로봇에 적용할 수 있는 통합적 위치 추정 알고리즘을 개발하였다. 향후 실제 통신 시스템을 이용한 테스트베 드 구축을 통해 실전환경을 고려한 연구를 진행할 계획이다. 생체 로봇 임무상황에 따른 트래픽 다형전달 기술 연구 과제는 연세대학 교 전기전자공학부의 김성륜 교수가 책임으로 추진하고 있다. 소형 생체모방로봇의 개체간 통신을 위해서는 거동특성/임무상황에 따 른 효율적인 정보전달 메커니즘이 필요하다. 해당 과제는 거동 특 성을 이용한 최적의 저지연 이종 네트워크 및 무선 네트워크 환경에 따른 트래픽 전송/수신 최적화 기법을 구현하였다. 향후 소수 로봇 실험에서 다중 로봇 실험으로 확장하여 연구를 진행할 계획이다.

그림 5. 생체모방 정보전달 연구실 구성

생체모방 구조/메커니즘 연구실

생체모방 구조/메커니즘 연구실에서는 대표 생체의 생물학적 특성 연구를 기반으로 생체모방로봇의 복합거동모사를 연구한다. 임의 의 환경에서 생체모방로봇의 임무수행이 가능하기 위해서는 메커 니즘에 따라 최적화된 모델을 선정 및 적용할 수 있는 기술이 필요 하다. 지상생체 마이크로 메커니즘을 개발하는 연구과제는 기계항 공공학부의 조규진 교수가 책임으로 추진하고 있다. 자연에는 수많 은 종류의 곤충들이 존재하며, 각자 최적화된 움직임으로 다양한 지형을 극복한다. 해당 과제에서는 jumping, climbing, crawling 모션에서 최적화된 생체 모델을 선정하고 공학적 모사를 통해 메커 니즘 최적화 및 고성능화에 관한 연구를 진행한다. 향후 초소형 지 상생체 모방형 다기능 로봇을 개발 및 추가 질량을 고려한 성능평 가가 진행될 것이다. 지상생체 거동특성 분석 및 운동제어 기술 연 구과제는 기계항공공학부 박종우 교수가 책임으로 추진하고 있다. 자연의 생명체를 살펴보면 신체 구조에서 자체적으로 이루어지는 기계적 피드백을 통해 일정 부분 거동제어가 자동으로 이루어진다. 해당 과제에서는 다양한 지상 생체 모방 운동 제어 기술 확보 및 효 율적 운동 제어를 위한 기계적 피드백 특성 해석을 진행하고 있다. 향후 공기역학 해석을 진행하여 연속체 역학 해석 시뮬레이터를 완성할 예정이다. 고효율 나노 소재 기반 유연 구동기 기술 연구과제는 인제대 나노융합공학부 전민현 교수가 책임으로 추진 하고 있다. 소형 생체모방로봇의 특성상 적은 전력으로 강한 구동 력을 갖춘 고효율 구동기 기술이 필요하다. 해당 과제에서는 구동 기에 적용 가능한 최소 면저항을 갖는 그래핀을 포함한 하이브리 드 나노구조 재료의 전극을 연구하여 구동기를 구현하고 있다. 향 후 적층 구조의 유연 하이브리드 구동기 설계 및 유연 구동기를 제 작하여 구동 시스템 기술을 확립할 것이다. 생체모방로봇의 다양한 구동기 제작을 위한 적층공정개발 연구과제는 기계항공공학부 안 성훈 교수가 책임으로 추진하고 있다. 적층공정은 기존 절삭공정으 로 구현하지 못하는 복잡한 형상도 쉽게 구현할 수 있다는 장점이 있다. 해당 과제에서는 적층공정을 기반으로한 지능형 연성 복합재 구동기, 유연 고속 구동기를 설계 및 제작하고 있다. 향후 새 날갯 짓 모사 구동기 설계 및 제작과 같은 추가 연구를 수행할 예정이다.

그림 6. 생체모방 구조/메커니즘 연구실 구성

생체모방 복합거동제어 연구실

생체모방 복합거동제어 연구실에서는 생체모방로봇이 비행활동을 할 수 있도록 복합날갯짓 비행생체모사로봇 개발 기술을 연구한다. 초소형 생체모방로봇의 경우 기존 비행방식으로 복합거동하기 어 렵다는 특징이 있어, 곤충의 비행 메커니즘을 분석 및 모사하여 생 체모방로봇에 적용하는 연구를 진행하고 있다. 곤충모방 초소형 비 행체 유연구조 연구과제는 기계항공공학부의 김종암 교수가 책임 으로 추진하고 있다. 해당 과제는 곤충 날개의 유연구조와 주변 유 동 흐름간의 연성해석 방법론을 확립하고 3차원 유체-구조 연성해 석 프로그램을 개발하고 검증하였다. 향후 날개의 기하학적/구조 적 특성에 따른 유체-구조 연성해석을 통하여 최적설계를 수행하 여 날갯짓 초소형 비행체의 최적설계 개발절차를 확립 및 시제기 제작을 목표로 하고있다. 곤충모방 초소형 비행체 비행특성 및 조 종안정성 연구과제는 충남대 항공우주공학과 김승균 교수가 책임 으로 추진하고 있다. 곤충의 날갯짓을 통해 공력을 얻는 복잡한 구 조는 유체 해석을 필요로 한다. 해당 과제는 비행역학 특성, 자세/ 위치 인식, 날갯짓의 구동 특성 등 전반적인 모델링과 함께 비행제 어에 관한 연구를 진행하고 있다. 향후 유연날개 모델링과 센서 및 구동기 모델링을 적용한 시뮬레이션 구축할 예정이다. 곤충모방 비 행체 공력특성 연구과제는 기계항공공학부 최해천 교수가 책임으 로 추진하고 있다. 곤충의 비행조건을 분석하기에 대표생체로 장수 풍뎅이가 가장 적합하다. 해당 과제는 장수풍뎅이의 공력특성을 3 차원 수치해 석기법 및 풍동실험을 활용하여 해석하여 공력모델을 개발하였다. 향후 입자 영상 속도 측정 기법으로 자유 비행하는 실 제 장수풍뎅이 주위 유동 가시화와 같은 추가 연구를 통해 초소형 무인 비행체 설계 기초 원리를 도출할 예정이다.

그림 7. 생체모방 복합거동제어 연구실 구성