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2014년 2월 15일 토요일

스스로 알아서 건설하는 미니 건설 로봇 - TERMES project



 수 mm 에 불과한 작은 흰개미들은 서로 협력해서 거대한 흰개미 탑을 만들 수 있습니다. 사람으로 친다면 100 층 짜리 빌딩을 짓는 것과 비견할 수 있을 만큼 거대한 구조물이죠. 흰개미들은 감독이나 설계도도 없이 단순한 신경계를 바탕으로 협업을 통해 이런 건물을 지을 수 있습니다. 과학자들은 이런 흰개미를 오랬동안 연구해 왔습니다.


 하버드 대학의 엔지니어링 및 응용 과학부 (Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS)) 및 와이즈 생체 모방 엔지니어링 연구소 (Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering at Harvard University) 의 연구자들은 이런 흰개미와 비슷한 방식으로 구조물을 건설하는 로봇을 개발했습니다.  


 연구의 리더인 하버드 대학의 라드히카 나그팔 교수 (Radhika Nagpal, Fred Kavli Professor of Computer Science at Harvard SEAS) 는 "우리가 흰개미로부터 받은 가장 중요한 영감은 우리가 복잡한 그룹을 이뤄서 감독자 없이도 일할 수 있다는 것과 어떻게 진행되는지에 대해 모두가 상의할 필요없이 환경 변화에 맞춰서 일할 수 있다는 것이다. The key inspiration we took from termites is the idea that you can do something really complicated as a group, without a supervisor, and secondly that you can do it without everybody discussing explicitly what's going on, but just by modifying the environment" 라고 언급했습니다. 확실히 이런 흰개미의 능력은 놀랍긴 하지만 이를 실제로 알고리즘으로 구현했다는 것도 놀랍습니다.


 TERMES project 라고 명명된 이 프로젝트는 4 년간의 연구 결과를 최근 Science 에 발표했는데 이들이 개발한 TERMES 시스템은 꽤 인상적인 건설작업을 수행할 수 있습니다. 이들은 레고 블럭 같은 건축 자제를 이용해서 설계도나 감독 없이 자율적으로 협력해서 탑이나 성, 벽등을 건설할 수 있습니다. 말은 쉽지만 사실 놀라운 일이라고 할 수 있죠. (아래 영상 참조)   



(TERMES system.    The TERMES robots can carry bricks, build staircases, and climb them to add bricks to a structure, following low-level rules to independently complete a construction project. Credit: Eliza Grinnell, Harvard SEAS)



(2011 년 발표 영상)  



(2014 년 공개 영상)    


 이 TERMES 로봇들은 어떠한 감독이나 지시도 없이 스스로 특정한 모양의 구조물을 건설합니다. 동영상에서 보듯이 중간에 블록이 사라지거나 문제가 생겨도 역시 구애받지 않고 특정 구조물을 계속해서 건설할 수 있습니다. 또 건설 하고자 하는 구조물의 생김새는 동일해도 건설 순서는 서로 다 다를 수 있습니다. 진짜 흰개미나 개미 처럼 말이죠.


 흰개미들은 건설 환경에서 누군가의 지시를 받는 대신 스티그머지 (stigmergy) 라는 자율 메카니즘을 이용합니다. 이들은 주변 환경과 다른 흰개미에 맞춰서 특정 구조물을 반복해서 건설합니다. 이런 알고리즘을 로봇에 프로그래밍한 결과 놀라운 결과가 나타났다고 합니다. 로봇들이 흰개미 처럼 누구의 지시도 받지 않고 특정 구조물을 자율적으로 협력해서 건설하기 시작했던 것입니다.  



(The TERMES robots can build themselves staircases to reach the next construction points, and they know how to add bricks that advance construction without blocking important paths. Credit: Eliza Grinnell, Harvard SEAS)


 이렇게 다수의 로봇들이 누구의 지시도 없이 협업해서 더 복잡한 일을 해낼 수 있다는 것은 앞으로 중요한 응용의 여지가 있습니다. 현재 원격 조정을 통해서 여러가지 작업을 하는 로봇들은 다수 존재하지만 사람이 일일이 컨트롤 하거나 혹은 잘못 오작동 하지 않는지 계속해서 감시가 필요합니다. TERMES 로봇들은 하나의 로봇이 오작동을 일으켜 엉뚱한 곳에 블록을 쌓더라도 다른 로봇들이 이를 끊임없이 수정할 수 있으며 수많은 로봇이 동시에 작동해도 누군가 이를 조절할 필요가 없다는 장점이 있습니다. 다수의 로봇을 작업에 투입해야 한다면 어느 쪽이 우월한지는 너무나 명확하죠.


 이와 같은 자율 로봇 시스템이 실제로 근미래에 응용될 지는 알 수 없지만 매우 흥미로운 기술인 점은 확실해 보입니다. 건설 뿐 아니라 청소나 기계 관리등 아주 여러 분야에 응용될 수 있을 것 같네요. 


 참고 




Journal Reference:
  1. Justin Werfel, Kirstin Petersen, Radhika Nagpal. Designing Collective Behavior in a Termite-Inspired Robot Construction TeamScience, February 14, 2014 DOI: 10.1126/science.1245842

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