이탈리아 기술 연구원들은 최근 문어에서 영감을 받은 부드러운 로봇 팔을 개발했습니다. "흡입 컵"에 분산 감지 및 제어를 통합함으로써 문어의 촉수와 유사한 로컬 "사고"와 자율적 파악 기능을 달성합니다. 복잡하고 예측할 수 없는 해저 환경을 탐색하는 데 사용하도록 설계되었습니다.

이 연구는 이탈리아 공과대학(IIT)의 생체모방 소프트 로봇공학 연구소 팀이 주도했습니다. 그들은 문어의 신경계 구조에서 영감을 얻었습니다. 문어는 상대적으로 작은 중심 뇌를 가지고 있지만 뉴런의 약 60%가 8개의 촉수에 분포되어 있습니다. 각 팔은 그 자리에서 정보를 처리하고 뇌의 지시를 기다리지 않고 독립적으로 먹이를 잡는 등의 반사 행동을 유발할 수 있습니다. 연구팀은 실리콘과 전자 부품을 사용하는 로봇 시스템에서 이 분산 아키텍처를 복제하려고 노력하고 있습니다. 이를 통해 단일 중앙 프로세서에 의존하지 않고 인식과 움직임이 유연한 "신체" 자체에 긴밀하게 통합됩니다.

그 결과 길이가 약 41cm이고 기본 직경이 약 4cm인 부드러운 로봇 팔이 탄생했습니다. 그 모양과 구조는 문어의 촉수와 유사합니다. 베이스부터 끝까지 10개의 인공 '흡착컵'이 장착되어 있으며 크기가 점차 작아집니다. 이 시스템은 카메라, 외부 컴퓨터 또는 중앙 제어 장치에 의존하지 않고 대신 모든 핵심 인식 및 주요 의사 결정 기능을 흡입 컵에 분산시키도록 설계되었습니다. 이번 연구 결과는 네이처 머신 인텔리전스(Nature Machine Intelligence) 저널에 게재됐으며, IIT는 대중을 위한 입문 자료도 공개했다.

각각의 인공 흡입 컵은 3개의 발광 다이오드와 3개의 광트랜지스터를 통합하여 마이크로 광학 감지 시스템을 형성합니다. 이 시스템은 반사광의 변화를 측정하는 데 사용되며, 이는 이 "기계 손목"의 국소 신경 노드와 동일합니다. 이물질이 흡착컵 표면에 닿으면 실리콘 소재가 변형되고 그에 따라 반사광의 경로가 변경됩니다. 시스템은 접촉 여부, 접촉 강도, 입사 방향 등을 판단해 3가지 핵심 센싱 데이터를 형성한다. 테스트 결과에 따르면 시스템의 힘 감도는 뉴턴당 약 400밀리볼트이고 힘 측정 오류는 약 0.1뉴턴으로 종이 클립 몇 개 무게와 대략 같습니다. 방향 인식의 최대 오차는 18도 미만이고, 평균 오차는 약 8도 정도로 시계의 인접한 눈금 사이의 각도에 가깝습니다.

제어 아키텍처 측면에서 이 소프트 로봇 팔은 두 가지 제어 수준을 사용합니다. 첫 번째 수준은 완전히 로컬로 실행됩니다. 각 흡입 컵에는 독립적인 회로가 있으며 중앙 명령을 기다리지 않고 접촉이 감지되면 즉시 흡착을 트리거합니다. 두 번째 수준은 더 높은 수준에 있으며 모든 흡입컵에서 업로드된 데이터를 수신하여 약 4초의 시간 내에 대상 위치와 접촉 특성을 종합적으로 분석하고 이를 기반으로 로봇 팔을 위쪽 또는 아래쪽으로 구부리거나 회전시키거나 필요한 경우 로컬 흡입컵의 자율적인 동작을 커버하는 등 전반적인 파악 전략을 결정하는 역할을 담당합니다. 연구팀은 감지와 신호 처리를 흡입컵에 직접 통합한 이 솔루션을 통해 로봇 팔이 중앙 제어 없이 실시간으로 접촉에 정확하게 반응할 수 있고 확장성과 견고성이 뛰어나 수중을 포함한 복잡한 환경에서도 작동할 수 있다고 밝혔습니다.

현재 모든 실험은 수중에서 진행됩니다. 테스트 동안 이 로봇 팔은 이동 중에 유리병, 유리잔과 같은 물체를 감지할 수 있었고, 잡은 물체의 무게를 약 72.5g, 실제 무게는 85g으로 추정했으며, 인공 "불가사리"를 포함해 다양한 각도에서 표적을 조작할 수 있었습니다. 내하중 측면에서는 로봇팔이 약 500g 정도의 물체를 들어올릴 수 있으며, 300회 반복 사용 후에도 감지 성능이 안정적으로 유지돼 좋은 내구성을 보여준다. 각 흡입 컵은 완전한 원시 데이터 대신 접촉 방향과 같은 정제된 정보만 상위 제어 부분에 전송하기 때문에 전체 시스템의 대역폭 요구 사항이 크게 줄어들므로 응답 속도를 크게 희생하지 않고도 더 많은 흡입 컵 또는 여러 접촉 손목으로 쉽게 확장할 수 있습니다.

연구팀은 이 디자인이 모듈식 특성이 강하고 흡착컵의 수와 레이아웃을 다양한 작업에 따라 유연하게 조정할 수 있다고 지적했습니다. 잠재적인 적용 시나리오에는 해저 파이프라인, 케이블 및 플랫폼과 같은 수중 인프라 검사와 견고한 로봇이 도달할 수 없는 좁거나 복잡한 영역에서 생물학적 샘플 수집이 포함됩니다. 유연한 구조와 자율적인 의사결정 능력을 갖춘 '문어 같은' 로봇팔은 심해탐사, 해양공학, 수중정비 등 분야에서 새로운 기술 경로를 제시할 것으로 기대된다.

문어는 오랫동안 로봇 공학 분야의 생체공학 설계에 중요한 영감의 원천이었습니다. 2017년 초 독일 자동화 회사인 Festo는 하노버 박람회에서 OctopusGripper를 시연했습니다. 압축공기로 구동되는 실리콘 손목터치 그리퍼입니다. 두 줄의 흡입 컵을 사용하여 대상을 감싸고 팽창 시 파악을 완료하지만 여전히 외부 공기압 제어 및 수동 조작에 크게 의존합니다. 최근 영국 브리스톨대학교 연구진은 더 이상 촉수의 모양을 모방하는 것이 아니라 문어흡반이 분비하는 점액을 연구하는 등 다른 차원에서 상황에 접근했다. 그들은 다층의 연질 구조와 생체공학적 유체 시스템으로 구성된 새로운 유형의 흡입 컵을 개발했습니다. 문어 점액이 거친 곡면의 틈을 밀봉하는 방식을 시뮬레이션하여 전통적인 빨판에 단단히 부착하기 어려운 돌이나 나무와 같은 불규칙한 물체를 잡을 수 있습니다.

한 걸음 더 나아가 베이징 대학교, 싱가포르 국립 대학교, 절강 대학교, 베이징 공과 대학 및 기타 기관의 연구팀은 두족류의 잡기 전략을 시뮬레이션하기 위해 OUT-Robot 기계식 잡기 시스템을 공동으로 설계했습니다. 이를 통해 부드러운 상태와 단단한 상태 사이를 빠르게 전환하여 다양한 모양, 유연성 및 무게가 다른 물체를 분류하고 잡을 수 있습니다. 이러한 이전 시도와 비교할 때 IIT의 새로운 디자인의 가장 큰 특징은 '자율성'입니다. 크롤링할 수 있을 뿐만 아니라 크롤링 방법을 결정할 수도 있습니다. 연구진은 또한 이번 실험에서 선정된 물체의 기하학적 구조가 상대적으로 단순하다는 점을 강조했다. 다음 단계에는 더 복잡하고 다양한 모양과 무게로 테스트하고, 정보 처리 측면에서 전체 시스템을 실제 문어의 신경 회로에 더 가깝게 만들기 위해 뇌와 유사한 뉴로모픽 컴퓨팅을 도입하려는 시도가 포함됩니다.