바이오미메틱스

바이오미메틱스

로버트 앨런 외 지음

시그마북스 / 2011년 7월 / 192쪽 / 25,000원



CHAPTER 1 해양생물학



우리는 종종 미지의 세계에 대한 동경 어린 눈빛으로 바다를 응시한다. 바다에서 교훈을 얻으려면 우선 이 미지의 세계를 탐험하는 방법부터 찾아야 한다. 하지만 공기를 호흡하는 인간의 신체 구조상 해양을 탐험하기는 어렵다. 한 가지 대안은 바닷 속으로 로봇을 보내 우리의 눈과 귀를 대신하며 보물 사냥꾼의 역할을 하게 하는 것이다. 이런 로봇을 설계하고 움직이게 하는 기술은 해양 생명체로부터 영감을 얻는 경우가 많다.

로봇 물고기는 어떻게 작동할까?: 생체 모사 해양 로봇을 활용해 생물학적 원리를 실험해 본 결과, 해양 생물체에 대한 의문 세 가지를 풀 수 있었다. 첫 번째 의문은 관찰된 헤엄 속도를 낼 정도로 참치가 충분한 근육을 갖지 못했다는 '그레이스 패러독스Gray’s paradox’이다. 이와 같은 맥락의 두 번째 의문은 표피가 얇은 해파리가 어떻게 제트 추진 속도를 견디는가 하는 것이다. 세 번째 의문은 공중과 수면의 경계에서 움직일 추진력을 제공하는 표면장력파를 일으킬 만큼 새끼 소금쟁이가 발을 빠르게 움직일 수 없다는 ‘대니의 패러독스Danny’s paradox’이다. 개별 조사를 통해 과학자들은 이 같은 의문에 대해 비슷한 결론에 도달했다. 참치는 정확한 빈도로 꼬리지느러미를 움직여 이전의 움직임에서 발생한 에너지를 극대화해서 포착한다. 해파리는 새로 생성된 소용돌이가 이전의 것과 충돌할 때 둥근 머리 근육을 써서 쉽게 앞으로 헤엄친다. 소금쟁이는 다리를 움직일 때 수면 아래로 소용돌이의 추진력이 발생하는데 발이 노처럼 작용하고 반월판menisci(섬유연골판)이 노의 날개 역할을 담당한다. 이 소용돌이의 힘이 유동적인 움직임으로 변환되어 소금쟁이가 수면에서 미끄러지게 해준다.

이 모든 해양 생물이 소용돌이로부터 에너지를 얻는데, 이것은 인간이 고안한 장치에서는 드문 혁신적인 작용이다. 소용돌이는 주로 물체가 공기나 물과 같은 유체를 통과하며 움직일 때 발생한다. 참치의 헤엄 원리를 적용한 로봇 참치는 이전 움직임이 남긴 에너지와 결합해 약화시키는 역회전 소용돌이꼴whorl을 형성하기 위해 때맞춰 꼬리지느러미를 움직인다. 이렇게 하면 헤엄 효과가 증대되어 그레이의 패러독스가 제시한 의문을 풀 수 있다. 프로펠러보다는 플래핑 포일Flapping foil이 더 효과적인데, 이는 포일의 힘이 움직이는 방향을 향해서 물고기의 몸을 따라 공간 이동 파장처럼 작용하기 때문이다. 에너지는 대부분 힘이 움직이는 방향을 향해 수직으로 전달되는 프로펠러에서 소비된다. 따라서 생체 모사 해양 로봇이 보여주는 것처럼 플래핑 포일의 추진력은 높은 기동성을 제공한다. 꼬리지느러미를 움직여 앞으로 나아가되 머리는 움직이지 않아서 해양 탐사 장치로 유용하다.

단순화의 비밀: 가장 흥미로운 사실은 로봇을 진짜 물고기처럼 헤엄치게 하려면 복잡한 제어 장치나 많은 기술적 요소 없이 앞뒤로 움직이는 지느러미 하나면 충분하다는 것이다. 이런 단순한 펄럭임으로 실제와 동일한 움직임을 만드는 '비결'은 꼬리지느러미의 소재 선택에 있다. 선택된 소재는 앞으로 나아가거나 움직이는 동안 몸체로 유체역한 에너지를 최적화해 배분할 수 있다. 또 불안정한 소용돌이의 흐름으로부터 최적의 운동 에너지를 얻고 회수하도록 진동 빈도를 조정해 주는 조화 전동장치harmonic drive(기존 변속기보다 응용 범위가 넓은 기계식 변동 장치)도 필수적이다. 먼저 꼬리지느러미가 움직여 하나의 소용돌이를 생성한다. 그러고 나서 꼬리지느러미의 움직임이 조정된다. 지느러미를 움직이는 타이밍을 설정해 반류 속으로 발생하는 소용돌이가 반대로 회전하는 소용돌이와 만난다. 마지막으로 포일이 소용돌이의 에너지를 포착한다. 이와 같은 분명한 주기가 플래핑 포일의 효율을 극대화해 앞으로 나아가게 해준다는 것이 실험을 통해 밝혀졌다.

주변에서 방법을 찾아라

스노클러나 스쿠버다이버라면 심해로 내려갈수록 빛의 세기와 색의 채도가 낮아진다는 사실을 잘 알 것이다. 해양 생물들은 시각적으로 발생하는 이런 문제를 해결하기 위해 특이한 인지 시스템을 개발하고, 아울러 다른 포식자가 감지하지 못하게끔 하는 전술도 고안해 냈다.

거미불가사리는 광결정 방해석을 빛으로 활용하고, 감각 세포에 초첨을 둔 완벽한 홑눈으로 어둠 속에서 잠재적인 포식자가 다가오는지 확인한 다음 유연한 팔로 몸을 움직여서 안전한 장소로 숨는다. 불가사리의 눈은 광자 기술용 나노틀nanotemplate에 영감을 주었다. 바닷가재의 자루 눈은 작은 사각형 모양의 관으로 이루어져 있고 거울과 같은 관의 표면이 눈으로 반사되는 빛을 집약, 확대해서 컴컴한 해저에서도 더 많은 빛을 얻도록 해준다. 이 복합적인 눈 조직이 제공하는 파노라마 비전은 어두운 밤 천계의 작은 움직임까지 기록할 수 있는 전천全天 망원경을 개발하는 데 영감을 주었다. 포유류처럼 큰 홑눈이 달린 일부 해양 생물체의 안구는 물속의 구면수차를 보정하는 효과가 있다.

물속에서는 시야 확보: 바다의 약자들은 시야가 넓은 포식자를 속이려고 위장 전술을 펼친다. 갑오징어는 모양과 색을 바꿔 순식간에 눈앞에서 사라지는 능력이 있다. 여러 겹의 색상층을 활용하여 자유자재로 변신한다. 갑오징어는 표피에 색소 세포가 있어서 피부의 두께에 따라 색이 달라진다. 표면은 노랗고, 점점 붉어지다가 피부속으로 갈수록 갈색을 띤다. 서로 다른 색상을 나타내는 각 색소 세포가 있으며, 뉴런이 이 색소 세포의 크기와 형태를 제어한다. 세포가 확장되면 색상이 진해지고, 수축하면 색이 옅어진다. 진피증 아래의 백색세포에는 굴절률이 높은 반투명의 반사성 단백 과립이 들어 있어서 모든 파장을 반사하며 광대역 반사경처럼 작용한다. 흰색은 흰색으로, 초록색은 초록색으로 반사하므로 갑오징어가 주변 색으로 자연스럽게 동화할 수 있다.

두족류(갑오징어, 문어 등)의 핵심 자산은 단백질 층 사이에 간격이 있다는 점이다. 이 나노미터 간격의 다양한 공간으로 빛의 파장이 투과, 굴절되어 색상이 변한다. 광감지기phototonicsensor는 두족류의 나노 단백질 층 공간 구조에서 영감을 받아 설계했다. 인간이 설계한 광학 가스 감지기는 나노미터 간격을 채우는 증기를 감지해 내어 화학 용제나 가스와 결합하며 색을 바꾼다. 빛은 층을 통과하면서 반사, 투과되어 다양한 색상으로 바뀐다. 갑오징어의 색 변화는 적용된 전력에 따라 빛의 공간이 조절되는 더욱 밝은 디스플레이 기술을 개발하는 데 영감을 주었다.

CHAPTER 2 인간 모사 로봇



컴퓨터 기술의 진화로 합성 소재, 인공 지능, 리얼타임 이미징real-time imaging, 음성 인식이 가능해지면서 인간과 흡사한 로봇을 창조할 가능성이 커졌다. 말과 표정으로 감정을 드러내고 반응하는 로봇의 능력은 오늘날 놀라울 만큼 정교하게 발달했다. 로봇 연구는 '연구 모사 로봇humanlike robot’과 '인간형로봇humanoid’으로 나누어 설명할 수 있다. 인간모사 로봇은 인간과 가장 비슷해 보이도록 설계되었다. 인간의 모습과 행동을 정교하게 복제하는 데 엄청난 노력이 들어갔다. 이런 로봇을 만든 로봇 연구가들은 대부분 일본, 한국, 중국 출신이며 미국인도 일부 있다. 반면에 인간형 로봇은 머리, 팔, 다리, 눈이 있는 일반적인 인간의 생김새와 비슷하다. 그러나 이 로봇은 단순한 기계로, 머리 부분은 대개 특징이 없거나 헬멧 같은 형상이다.

일본 로봇 연구가 마사히로 모리는 사람들이 로봇과 사람의 유사성이 높아질수록 처음에는 열광적인 반응을 보이지만 그 정도가 매우 높아지면 강한 거부감과 혐오감을 느낄 것이라고 예상한다. 그러나 로봇과 사람의 유사성이 거의 동일한 수준에 이를 때면 여론이 다시 한 번 긍정적으로 바뀔 것이라고 보고 있다.

인간 모사 로봇 만들기

인간을 모방한 기계를 만들 때 겪게 되는 또 다른 어려움은 사람과 소통하며 감정적으로 의사소통하는 능력을 부여하는 것이다. 상호 소통이라는 과제가 생기면서 로봇은 인간의 의사소통 능력을 획득할 기회를 얻었다. 현대 사회의 아이들은 또래나 다른 사람들과 어울리기보다 컴퓨터를 사용하는 데 더 많은 시간을 보냈다. 그래서 사회성이 덜 발달한 상태로 자라고, 과거 세대가 당연하게 받아들인 보디랭귀지를 잘 이해하지 못한다. 이런 문제점이 제한된 환경에서 실질적인 시뮬레이션을 제공하는 교육, 치료, 혹은 게임에 사용되는 인간 모사 로봇을 통해 드러나는 것일지도 모른다.

전쟁용 로봇: 인간 모사 로봇을 더 사실적으로 만드는 기술이 발전하면서 로봇을 부적합한 업무에 사용하게 될 수 있다는 우려도 함께 커지고 있다. 인간 모사 로봇은 부득이하게 군사용으로 설계될 것이다. 현재 미국 국방부 고등연구기획부DARPA 산하 프로그램에서 다양한 방식으로 제어할 수 있는 로봇 팔을 개발하는 중이며, 그 범위는 다른 신체 부위로 확장될 것이다. 인간인 적을 상대하기 위해 로봇을 이용하는 것은 윤리적, 철학적으로 논란을 불러일으켰고 실질적인 위험도 동반한다. 이는 과학기술의 발달과 함께 해결되어야 할 문제다. 이미 오래전에 공상과학 소설가 아이작 아시모프Isaac Asimov의 '로봇 공학의 3대 원칙’과 같은 지침이 제안되었다.

- 아이작 아시모프의 로봇의 법칙 (나중에 0번째 법칙이 추가되었다)

1) 로봇은 사람에게 해를 끼쳐서는 안 되며 인간이 부상당하는 것을 내버려두어서는 안 된다. 2) 로봇은 인간이 내리는 명령이 제1법칙을 위배하지 않는 한 반드시 복종해야 한다.

3) 로봇은 제1, 2법칙을 위배하지 않는 한에서 자신의 존재를 보호해야 한다.

0번째 법칙: 로봇은 개별 인간의 호기심을 위해서가 아니라 모든 인류를 위해 행동해야 한다.

인간의 능력: 인간 모사 로봇은 단지 인간의 외형을 닮았을 뿐만 아니라 감정적으로 소통하고 복잡한 기능도 실행해야 한다. 그러려면 기계와 전기 기술, 재료 과학, 컴퓨터 과학, 인공 지능과 제어 등 많은 과학과 공학 원리가 적용되어야 한다. 아울러 로봇에 사용할 복원력이 뛰어나고 가벼우며 다양한 기능을 갖춘 소재도 필요하다. 로봇은 장애물을 피하고 안정성을 유지하며 걸어야 한다. 따라서 가볍고 휴대할 수 있으며 오래가는 배터리가 필수다. 여기에 시각, 청각, 미각 및 압력과 온도를 감지하는 촉각과 같은 센서도 필요하다. 또 센서가 측정한 것을 해석하는 능력을 갖추고 그들이 처한 환경과 관련된 위험 요인을 인지할 수 있어야 한다.

인공 지능AI

인공 지능이란 컴퓨터 과학의 일종으로 인지, 추론, 학습과 같은 컴퓨터 능력을 실행하는 시스템을 개발하는 것이 목적이다. 로봇이 진짜 사람 같아지려면 이런 능력을 갖춰야 한다. 인공 지능 분야의 진행 과정은 내재적인 사고 및 지적 행동의 원리를 이해하고 이를 로봇에 적용하는 것이다. 이 분야는 인간 모사 로봇의 지식 포착, 묘사, 추론, 불확실함에 대한 이성적 판단, 기획, 비전, 얼굴과 특징 추적, 언어 사용, 지도 보기와 탐색, 자연스러운 언어 인지, 학습 능력 등에 매우 중요하다. 인공 지능을 기반으로 한 알고리즘은 사례를 토대로 추론과 퍼지 추론Fuzzy reasoning이 통합 사용되어 자동 자율 운영을 가능하게 한다.

로봇의 필수 기술: 인공 지능이 필요한 역할을 담당하는 로봇을 프로그래밍할 때는 다음과 같은 단계가 필요하다.1) 주위 상황 감지

2) 컴퓨터 비전, 청각, 탐지를 통해 환경을 모델링

3) 잠재적인 장애물과 위험 요인을 파악하는 행동 기획

4) 로봇의 작동 목표를 달성하기 위한 적합한 행동 실행



로봇의 자가 보존: 최근에 출시된 인간 모사 로봇 중 일부는 인간과 상당히 유사하다. 출시 후에 스스로 개선하는 능력이 있어서 자체적으로 학습하고 정기적으로 업데이트할 수 있다. 이런 섬세한 기능에는 완전한 자율 동작과 자체 진단도 들어 있다. 미래에는 정기 점검이나 수리를 위해 로봇 스스로 지정된 유지 보수 시설로 이동하게끔 설계될지도 모른다. 또 파손을 대비해 자체 치유가 가능한 바이오미메틱스 소재로 만들 수 있다.

아직도 가야 할 길: 현재 인간 모사 로봇의 능력은 실제 인간이나 공상과학 소설, 영화에 묘사된 것과 비교하면 아직 갈 길이 멀다. 로봇의 개발 과정은 으레 전문가들이 예상하는 것보다 늦다. 예를 들어, 1950년대에 인공 지능 전문가들이 1968년에는 컴퓨터가 세계 체스 챔피언을 이길 것으로 예측했지만, 그 예측이 실현된 것은 그로부터 긴 세월이 지나서였다. 물론 인공 지능이 이미 우리 주변에 널리 사용된다는 것은 의심할 여지가 없다. 우리가 사용하는 모든 휴대전화와 이메일은 이미 인공 지능 시스템으로 운영된다. 또 작가들의 상상력으로 탄생한 창조물이 지속적으로 인간 모사 로봇의 개발에 영감과 혁신을 주고, 그 과정에서 발생할 수 있는 위험과 부정적인 가능성을 경고한다.

CHAPTER 3 해양 생물 음향학



인공 음파 탐지기 VS 돌고래의 음파 탐지기

돌고래는 선천적으로 청각이 아주 예민하다. 그리고 소리를 감지해 소리가 들리는 방향을 정확하게 파악할 수 있다. 또 두 개의 내부 청각 구조를 통해 시끄러운 환경에서 작은 소리로 잘 찾아낸다. 눈을 감고 친구에게 바로 앞에서 박수를 친 후 왼쪽이나 오른쪽으로 한 발만 움직여서 다시 손뼉을 쳐달라고 부탁하라. 그럼 친구가 어느 쪽으로 움직였는지 쉽게 알 수 있다. 소리가 정해진 시간의 차이와 두 귀가 인지하는 강도의 차이가 방향을 식별하는 단서이다. 인간과 돌고래 모두 1~2도 차이로 정확한 장소를 파악한다.

네 개의 수신기: 인공 빔을 분사하는 음파 탐지기는 네 개의 수신기를 통해 소리의 전달 시간과 밀도를 달리하여 2차원으로 방향을 알아낸다. 한 쌍의 수신기가 하나의 방위각을 구성하고, 다른 쌍의 수신기는 메아리의 특정한 방향을 나타낸다. 깊이는 소리가 전달되는 곳에서 돌아오는 반향의 지연 시간을 산출해 알 수 있다. 그래서 인공 음파 탐지기는 여러 차원으로 목표 물고기의 위치를 알려준다.

병코돌고래는 음파 탐지기로 수직 각도와 같은 방향을 충분히 파악한다. 돌고래의 머리가 좌우 대칭이지만 위아래는 같지 않다. 소리는 돌고래의 머리에 진동으로 전달되어 식별되는데, 이렇게 머리로 받는 소리는 아래에서 받는 것과 약간 차이가 있다. 만약 반향의 진동수가 동일하게 계속된다면 이를 수직 각도로 판별할 수 있다. 물속에서 들려오는 여러 가지 방향도 또 다른 단서다. 돌고래와 목표물의 위치에 따라 직접 전달되는 것과 반사된 것이 혼합되어 하나의 반향을 이루기도 한다.

청각 이미지: 디지털 카메라는 렌즈가 있어서 화상을 구성하는 요소 위로 이미지를 초점할 수 있다. 이와 비슷한 방법으로 사운드 매트릭스Sound Metrics Co.사에서 개발한 DIDSON 수중 음향 카메라는 청각 이미지를 초점화해서 형성한다. 이 카메라는 흐리거나 완전히 어두운 곳에서도 물체의 이미지를 시각화해 보여준다. 수중 카메라는 다른 카메라 장비들이 갈 수 없는 해저의 울퉁불퉁한 바위에서도 작업할 수 있다. 이 카메라로 다양한 수중 식물과 바다 생물을 더 정확하게 구별할 수 있으며 해저 감시 용도로 사용할 수 있다. 또 누수나 물의 흐름을 식별하는데도 중요한 역할을 담당한다.

돌고래를 완벽하게 모사한 음파 탐지기 개발

돌고래의 음파 탐지기와 그것에서 영감을 얻어 인간이 개발한 어업용 음파 탐지기는 광대역 주파수의 특징과 돌고래의 뛰어난 공간 해석 능력에서 큰 차이를 보인다. 공학자와 과학자들은 현재 이런 기능을 탑재한 차세대 음파 탐지기를 개발하고자 노력을 쏟고 있다. ME70이라 불리는 멀티빔multibeam 음파 탐지기는 70~120킬로헤르츠의 주파수 범위에서 동작하며 개별 주파수에는 반응하지 않는다. 물고기가 반사하는 광대역 주파수를 활용하면 각기 다른 크기와 형태를 식별할 수 있다.