공창(共創)지능 연구용 휴머노이드의 플랫폼 개발

“휴머노이드 통해 인지발달 메커니즘을 재현하다”

사람의 복잡한 인지발달 메커니즘을 연구하기위한 방법으로 최근 일본에서는 인간형 로봇인 휴머노이드의 활용이 주목받고 있다. 사람의 신체적 특징을 갖춘 몸체에 플랫폼을 통한 인지발달 메커니즘을 재현함으로써 영유아의 발달과정을 알아보는 것이다. 간단한 유아적 자세의 실현에서 최근에는 타자와의 상호작용도 수행하는 등 더욱 인간에 가까워진 휴머노이드 플랫폼의 발전은, 복잡한 인간의 인지발달 메커니즘을 풀어낼 수 있는 하나의 열쇠가 될 것으로 기대된다.

1. 서론
‘공창지능’이란 과학과 기술의 공창에 더하여, 시스템이 몸체를 가지고 환경과 함께 지능을 공창한다는 의미를 가진다. 몸체를 가지고 공창하기 위해서는 무엇보다 인간형 로봇이 필요하다. 이 로봇을 이용하여 로봇공학 연구자와 뇌 과학, 신경 과학 분야의 연구자가 함께 인지발달 로보틱스 연구를 수행함으로써 과학과 공학의 공창이 생겨나게 되는 것이다.

사회적 공창지능 그룹에서는 타자와 관계하는 사회성에 중점을 두고 영유아의 발전 메커니즘을 탐구하는데 목표를 두고 있다. 이 연구용 휴머노이드를 개발하는데 가장 주목할 점은 신체의 유연성, 근육의 연성이다. 그 중 유연성은 시스템이 신체를 가지고 환경과 상호 작용을 하거나 지능을 공창하는데 있어 아직 휴머노이드에 부족했던 요소이다.

2. 인지발달 연구용 로봇 플랫폼의 설계방침
구성적 접근에 기초하여 사람의 복잡한 인지발달 메커니즘을 분명히 하려면 부분이 아닌 몸 전체가 환경과의 상호작용을 재현해야 한다. 때문에 인간의 신체특징을 갖고 있는 전신 휴머노이드의 사용은 새로운 인지발달상 문제를 찾을 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.

특히 사회적 공창지능 그룹은 영유아의 발달 메커니즘을 탐색하기 위한 것이기 때문에 인지발달 연구용 플랫폼이 갖추어야 할 다음 5가지의 특징이 매우 중요하다. ▲인간다운 동작을 생성하는 다자유도 기구 ▲타자와의 상호작용을 하기 위한 다양한 센서(시각, 청각, 전신 촉각) ▲타자와의 안전하고 밀접한 상호작용을 위한 유연한 관절 ▲타자와의 안전한 상호작용을 실현하고 타자의 상호작용을 유발하기 위한 부드러운 피부로 감싼 몸체 ▲타자와의 상호작용을 유발하기 위한 어린이 같은 외관 등이다.

최근에는 인지발달의 특징적 요건을 충분히 만족시킬 플랫폼으로 CB2(Child-robot with Biomimetic Body)가 개발되어 눈길을 끌고 있다. 이는 가능한 인간다운 신체기능을 가진 로봇을 영유아답게 행동하게 하는 과정으로, 이를 통해 발달상의 여러 가설을 발견할 수 있을 것으로 기대를 모았다. 다시 말해 CB2는 문제 발견형 연구용 플랫폼인 것이다.

3. 문제 발견형 플랫폼 CB2
3-1. 설계 방침
CB2는 가급적 인간에 가까운 특성을 가진 복잡한 로봇을 실현한다는 목표 하에 개발되었고 그 특징은 다음과 같다. ▲타 휴머노이드처럼 전신에 자유도를 갖는다. ▲시청각뿐만 아니라 전신에 촉각을 갖는다. ▲전신(안구, 눈꺼풀 제외)의 구동관절에 공기압 액추에이터를 갖는다. ▲전신을 유연한 실리콘제 피부로 감싼다. ▲전장 130cm, 중량 33kg의 모습이나 섬뜩함이 느껴지지 않도록 사람을 닮지 않게 하였다.
또 다른 특징은 공기압으로 소리를 만드는 인공성대를 갖고 있다는 점이다. 이는 영유아의 언어발달을 알아보는데 큰 도움이 된다. CB2는 자율형 시스템이 아니기 때문에 본체 밖에 공기압축기, 컴퓨터 등이 접속되어있다.

3-2. CB2의 연구사례
운동능력이 미숙한 영유아들은 양육자의 보조를 받아 운동을 학습하게 된다. 이 때 보조를 잘 받아들이기 위해서는 다른 사람과의 동조가 중요하다. 이 연구에서는 유연한 관절을 가진 CB2가 타자와의 물리적 상호작용을 동반하는 운동학습 보조에 동조하는 역할을 담당하며 목표 자세를 무사히 달성하였다.

4. 보급형 플랫폼 M3 시리즈
4-1. 신체적 상호작용 지향의 플랫폼 M3-네오니
M3-네오니(Neony)는 대면 상호작용을 지향하는 플랫폼으로 개발되었다. 구동관절에 서보모터를 채용함에 따라 CB2보다 운동 성능이 한층 향상된 형태이다. 기계적 관절의 유연성은 없어졌지만 관절의 제어는 용이해졌으며, 영유아의 운동발달 연구에 이동운동의 재현이 중요한 만큼 하반신 운동성능을 위한 자유도를 배치하였다. 또한 PC나 배터리를 내장한 자율형 시스템으로 이동 범위도 제한이 없다. M3 로봇은 상용모터나 교재용 CPU보드를 사용하고 있으며 동작개발에는 상용의 GUI 소프트웨어를 사용할 수 있도록 하고, 보수 및 취급도 편리하게 했다.

4-2. 대면 상호작용 지향의 플랫폼 M3-킨디
M3-킨디(Kindy) 또한 대면 상호작용 지향의 플랫폼으로 개발되었다. M3-네오니처럼 서보모터를 사용하여 운동성능을 향상시켰고, 타자(엄마)와의 상호작용을 위해 어린이 크기(110cm, 평균 5세 아이의 키)의 신체에 각종 제스처를 할 수 있는 자유도를 갖추었다. 또한 M3-네오니와 같이 전신에 촉각센서를 갖추고 있으며 타자와의 신체적 접촉을 수반하는 상호작용도 재현 가능하다. PC와 배터리를 내장하고 있으며 자율형 시스템으로 만들어 졌다.

4-3. 사회적 상호작용 지향의 플랫폼 M3-신치
M3-신치(Synchy) 또한 대면 상호작용 지향의 플랫폼으로 개발되었다. 사회발달 과정을 이해하기 위해서는 어린이와 어른 2자간의 커뮤니케이션뿐만 아니라 생후부터 어린이가 경험하는 복수의 어른과의 커뮤니케이션 즉, 사회적 상호작용에도 주목해야 한다. 이를 위해서는 복수의 로봇이나 사람과의 동조적 행동의 실현이 빠질 수 없다. 이러한 사회성을 향상하기 위해 M-3신치는 탁상에 놓을 수 있는 크기로 일상생활의 장소에서 복수의 사람, 복수의 로봇과 용이하게 상호작용을 실현할 수 있게 만들어졌다. 

4-4. M3 시리즈를 사용한 연구사례 
앞서 소개한 M3 시리즈를 통한 유아의 운동발달 메커니즘에 관한 연구로 유아의 신체 옹알이를 생체 흔들기 메커니즘으로 설명하는 것을 시험한 사례가 있다. 그 결과, 신체 옹알이에 의해 근력을 올리는 운동은 전진 가능한 수족의 주기적 운동의 위상차를 단순화한 생체 흔들기 메커니즘으로 발견할 수 있다는 것을 M3-네오니를 사용한 실험으로 확인되었다. 이는 앞으로 상호작용장면을 자폐증 장애아에게 경험시켜 자폐증의 커뮤니케이션 메커니즘을 이해하는 시험을 구축하는 것이나 커뮤니케이션 트레이닝 등에 응용되어질 것으로 기대된다.    

5. 결론
다른 종류의 상호작용을 실현할 때 각 플랫폼의 적용성 비교를 살펴보면 구성적 접근에 의해 영유아의 인지발달 메커니즘에 가까워지고 있는 만큼, 여러 인간다운 특성을 갖는 CB2의 적용성이 가장 높다고 할 수 있다. 한편 M3 시리즈에서는 개개의 로봇 적용 범위는 제한되지만 전체로는 여러 동적 상호작용의 재현이 가능하며, 인지발달 연구용의 보급형 플랫폼을 얻을 수 있다고 생각된다. 이러한 플랫폼은 향후 공창적 지능연구의 바탕을 넓혀나가는데 크게 공헌할 것이다.