로버트 풀 : 동물의 움직임에 관하여

여러분을 제 연구실의 학생들이라고 가정하겠습니다. 제가 원하는 것은 생물학적으로 영감을 받은 디자인을 만드는 것입니다. 그리고 여기에 과제물이 있습니다. 3차원의 매개변수로 구성되는 동적 접촉모델을 만드는데 여러분의 도움이 필요합니다 쉽게 말하면, 발을 만드는 걸 도와줄 수 있나요? 정말 어려운 과제지만, 여러분의 도움이 필요합니다. 물론, 이 도전에는 상도 있습니다. TED 상은 아니지만요, 우리 연구실의 전용 티셔츠입니다. 그러니 발을 어떻게 디자인 할지 여러분의 아이디어를 보내주세요

발을 디자인을 하려면, 무엇부터 해야 할까요? 우선은 발이 어떤 것인지를 알아야 합니다. 사전에서 보자면, "다리에서 가장 낮은 끝부분으로서 서거나 걸을 때 지면과 닿는 부위" 이것이 전통적인 정의입니다. 정말 발에 대해 연구하는 경우라면, 어떻게 해야 할까요? 우선 문헌을 찾고, 발에 대해 알아낸 것이 무엇인지 찾아봐야 합니다. 그래서 이런 문헌을 봐야하죠. (웃음)

아마도 여러분은 이런 문헌에 익숙할 것입니다. 문제는 발의 종류가 너무나 많다는 것입니다. 그럼 어떻게 하죠? 모든 발을 조사하고, 작동 원리를 알아내야 합니다. 자 그럼, 다음 영상을 보고 저를 좀 도와주셨으면 합니다. 영상을 보면서, 원리를 찾아보세요. 그리고 디자인에 필요한 실험들을 한번 생각해보세요. 발의 움직임을 이해하는 데에는 실험이 필요하거든요

어떤 공통점이나 원리가 보이시나요? 여러분이라면 어떻게 하시겠어요? 어떤 실험을 해야 할까요? 와-(박수) 저희는 동물의 걸음걸이에 대한 생물 역학적 연구를 통해 발을 디자인하기 위한 설계도를 만들었습니다. 그것은 자연으로부터 영감을 받아 디자인한 것이며, 방금 보신 동물들의 발을 모방한 것이 아닙니다. 여러 종류의 발이 가진 비밀을 종합한 것이죠.

이제 동물들은 어디든 갈 수 있음이 밝혀졌습니다. 방금 보셨듯이 매우 다양한 곳을 걸을 수 있습니다 면에 접촉할 확률, 표면 위에서의 움직임, 그리고 발바닥의 행태에 따라 다르죠. 만약 여러분이 어떻게 걷는지 연구한다면 다양한 표면이나 돌부스러기 등을 시뮬레이션해 봐야 합니다. 그래서 저희는 이런 실험을 했습니다 : 우리는 이 동물을 달리게 해봤습니다. 바로 가게거미(grass spider)인데요. 접촉면의 99%를 없앤 그물망 위를 달리게 해봤지만 이 거미는 속도를 줄이지도 않았습니다. 사람으로 치자면 시간당 300마일을 달리는 것과 같죠

어떻게 이럴 수 있을까요? 자세히 보세요. 50배 저속으로 보면, 다리가 어떻게 가상의 돌부스러기를 밟는지 볼 수 있습니다. 다리가 발의 역할을 하죠. 사실, 이 동물은 다리의 다른 부분이 표면과 접촉합니다. 고전적 의미의 발 보다 접촉빈도도 높습니다. 발이 다리 전체에 분포되어 있는 셈이죠. 다른 실험도 가능한데요. 바퀴벌레를 잡은 후에 발을 제거해 봤습니다. 다른 실험도 가능한데요. 바퀴벌레를 잡은 후에 발을 제거해 봤습니다. 주변에 바퀴벌레 몇 마리를 풀어놨으니까, 발을 한번 보세요. 발이 없어도 이런 움직임을 보이죠. 전혀 느려지지 않습니다. 발이 없어도 같은 속도로 달릴 수 있어요. 바퀴벌레는 괜찮습니다. 발은 다시 자랄거니까 걱정마세요. 어떻게 하는걸까요? 자세히 보세요. 100배 느린 속도입니다. 나머지 다리로 어떻게 하는지 보세요. 마찬가지로 다리에 분포된 발을 사용합니다. 매우 효과적으로요.

여기서 갖게 되는 의문은, 다리에 분포된 발이란 일반적으로 어떤것인가이죠? 다음으로 보여드릴 이 동물이 하는 행동을 처음 봤을 떄, 우리는 정말 놀랐습니다. 기자분들, 공개하시면 안됩니다. 보도금지에요-- 그게 뭔지 한 번 보세요!! 굴러다니는 코코넛으로 위장한 두 발로 걷는 문어입니다. 이것은 크리스티나 휴파드가 발견했습니다. 촬영은 Sea Studio가 했습니다. 여기 몬테레이에서 와계시네요.

우리는 또 다른 종류의 두발로 걷는 문어도 기록해두었습니다. 이 문어는 떠다니는 산호처럼 변장을 하는데요 두 다리로 걷고 나머지 팔은 들어서 위장을 하죠 . (박수) 그리고, 험한 지형을 넘어가기 위해 발로 어떻게 하는지 보세요. 이 아름다운 분포된 발을 이용해서 마치 장애물이 없는 곳을 다니듯 합니다. 정말로 대단하죠

이 그림은 에셔가 1951년에 그린 것입니다. 그는 자신이 상상의 동물을 만들었다고 생각했죠 하지만, 이 작품은 생명을 모방한 것입니다. 300만년 전, 다음에 보여드릴 동물이 자연으로부터 진화했습니다. 이 새우처럼 생긴 동물은 갯가재(stomatopod)라고 합니다. 이 동물이 파나마 해변에서 어떻게 움직이는지 보시죠. 이 동물은 거의 굴러다닙니다. 심지어 오르막도 오를 수도 있죠. 이것이 분포된 발의 최고봉입니다. 온 몸이 마치 발처럼 움직이죠.

자, 이제 우리의 설계도에 첫번째 중요한 요소를 포함시켜야 한다면, 바로 이 분포된 발을 넣고 싶겠죠. 일반적인 발만 넣는게 아니라, 아닌 다리까지 말이죠 또한 몸체까지도요. 이게 새로운 로봇을 디자인하는 데 영감을 줄 수 있을까요? 생물학적으로 영감을 받은 이 로봇은 RHex입니다. 이 특출난 기술자들이 지난 수 년에 걸쳐 만들었죠. RHex의 발은 매우 단순한 형태에서 출발했습니다. 반복된 튜닝을 통해, 결국 이런 반원 형태가 되었죠. 이유가 뭘까요? 이 영상을 보시면 알 수 있습니다. 로봇이 어디있는지 보세요. 매우 복잡한 지형을 다니기 위해 다리를 어떻게 딛는지 보세요. 보시는 것처럼, 반원형의 다리를 마치 분포된 발처럼 사용하고 있죠. 여기를 지나는걸 보세요. 이 잔해 위를 잘 가는걸 보세요. 대단하죠. 감지센서도 없이 잘 튜닝된 다리로 움직임을 조절합니다. 정말 단순하지만, 멋지죠.

이제, 이 동물에 대한 다른 부분을 알려드리죠. 거칠은 지형을 다닐 때를 보면요 제 조수의 도움이 좀 필요한데요. 우리가 바퀴벌레의 다리를 만지면 -- 마이크를 좀 갖다 주시겠어요? 바퀴벌레 다리를 만져보면 어떤 느낌이 들지? 뭔가를 느낀 적 있니?

소년 : 가시가 있어요

로버트 풀 : 가시가 있어. 맞아. 정말 까칠까칠해. 아프기도 하구. 큐레이터 아저씨가 이 바퀴벌레를 만질 용기가 있는지 한번 볼까? (웃음)

(크리스 앤더슨 : 너 이걸 만져 봤다구?)

로버트 풀 : 자세히 살펴보면, 다리에 가시가 있는 게 보이시죠. 몇 주 전만해도 이게 무슨 역할을 하는지 아무도 몰랐습니다. 방어 목적이나 감각 구조라고 주장했겠죠 우리는 다른 기능이 있음을 알아냈습니다. 이게 그 가시의 일부분인데요. 한 쪽 방향으로는 쉽게 접힙니다. 잔해에서 발을 빼기 위해서죠. 하지만 반대 방향으로는 뻣뻣해서, 지면의 요철을 잡게 됩니다.

게는 발을 헛딛는 법이 없습니다. 왜냐면 보통 모래 위를 다니기 때문이죠. 우리 연구실에 오기 전까지는 말이에요. 이런 철망에서는 문제가 있어 보이네요. 왜냐면 게들의 다리에는 가시가 없기 때문입니다. 게는 가시가 없어서 이런 거친 지형에서는 문제에 봉착합니다. 물론 우리는 해결방법이 있습니다. 인공적인 가시를 만들면 되잖아요. 가상의 잔해를 잡을 수 있도록 가시를 만들었습니다. 그리고 쉽게 발을 뺄 수 있도록 접히기도 하죠. 그리고 보시는 것 처럼, 이 인공 가시를 게의 다리에 붙이고, 실험해봤습니다. 튜닝의 원리를 이해했나요? 답은 네! 입니다. 20배 느린 화면인데요, 이 게는 인공 지형을 막 통과했습니다. (웃음) (박수) 자연 상태보다 조금 낫지요

우리 설계도에는 이 가시도 추가해야 겠네요. 이제 이 생각이 절벽을 오르는 로봇을 만드는데 도움이 될까요? 여기 RHex가 있습니다. 얘는 매끄러운 난간을 넘는데는 문제가 있어요. 그럼 가시를 붙이면 어떨까요? 펜실베니아 대학의 제 동료인 Dan Koditschek이 강철 발톱을 붙여봤습니다. 가장 단순한 방법이죠. 그리고 이 RHex는 이제 저 난간은 문제없이 넘어갑니다! 어떻게 된 걸까요? 느린 화면으로 보면 가시가 뭘 했는지 볼 수 있어요.. 다리가 회전을 하고, 바로 저기를 잡는 거 보이시죠. 전에는 이렇게 못했어요. 미끄러지다가 걸려서 뒤집어졌죠. 다시 한번 보시죠. 바로 저기에요. 성공했네요.

하지만 분포된 발과 가시를 가졌다고 해서 수직 벽을 오를 수 있는 것은 아니죠. 그건 정말 정말 어려워요. 하지만 이 동물이 하는걸 보세요! 보시는 것은 수직 철판을 오르는 영상입니다. 매끄러운 철판이에요. 얼마나 빠르게 오르는지 놀랍군요. 천천히 보면, 정말로 굉장한 것을 볼 수 있어요. 비결은 이것입니다. 미끄러지면서도 경사면을 효과적으로 오르고 있어요 사실은 힘들게 표면을 잡으면서 올라가는 거에요. 사실, 마치 표면 위를 수영하는거 같이 보이네요. 잘 관찰하면, 더 자연스러운 움직임을 모델링할 수도 있습니다. 분포된 발은 사실은 마치 배젓는 노처럼 움직이는데요.

고운 모래 위를 달리는 도마뱀도 마찬가지 입니다. 이 발을 보세요. 마치 노처럼 움직이죠? 마치 단단한 표면 위를 다닌다는 생각이 들 정도에요. 제 대학원생이 도마뱀이 어떻게 물위를 달릴 수 있는지 연구할 때 본 것과 다르지 않네요. 이걸로 더 나은 로봇을 만들 수 있나요? Martin Buehler는 만들었습니다. 지금 보스턴 다이나믹스에 있죠. 그가 이 아이디어를 가지고 RHex를 Aqua RHex로 만들었어요. 이게 노를 단 RHex입니다. 놀라울 정도로 방향전환이 쉬운 수영하는 로봇으로 바꼈습니다.

표면이 거칠다면, 동물은 발톱을 갖게 됩니다. 만져보면 아마 느낄 수 있을거에요. 만져 봤나요?

크리스 앤더슨 : 네

로버트 풀 : 이런 발톱을 가지고 그런 표면을 잘 잡아서 다니죠. 제 동료중 한 명인 스텐포드 대의 Mark Cutkosly는 대단한 공학도입니다. 이 형상침착제조법(SDM)이라 불리는 기술을 발명했죠. 그 기술을 이용해서 인공 발에 발톱을 심을 수 있었습니다. 그리고 이것이 잠시 후에 보여드릴 로봇의 초기버전입니다. 자 그럼 우리 설계도로 돌아가서, 발톱도 붙이죠. 동물들을 보면 어떤 표면이라도 정말 잘 다니죠. 동물들은 융합 메커니즘을 사용하기 때문입니다. 발톱, 가시, 털, 발바닥, 점액질과 모세관 접착력, 그리고 다른 모든 것이 융합된 것이죠. 보시는 것은 모두 다른 종류의 곤충인데요. 이중에는 수직면을 오르는 개미도 있습니다. 그 개미를 한 번 볼까요?

이게 개미의 발입니다. 털과 발톱과 이런 것들 보이시죠. 이건 발을 공중에 들고 있을 때 입니다. 그럼 샌드위치 위에 있을 때 발에는 무슨 일이 일어나나 보세요. 저 현상을 보셨나요? 발바닥이 밖으로 나와요. 그리고 거긴 점액이 있네요. 이건 개미의 발을 밑에서 본 것입니다. 발톱이 들어가지 않으면, 개미가 뭘 하던지 발바닥은 자동으로 나옵니다 . 그냥 튀어 나오죠. 이 장면은 정말 찍기 어려었습니다. 초끈 위에 있는 개미발같네요. 정말 찍기 힘들었어요. 이건 확대해서 본것입니다. 이게 개미 발이고, 저게 점액입니다.

그리고 저 점액은 2단계 혼합물질이라는 사실을 알아냈습니다. 벽에 붙을 수 있도록 도와주는게 확실하고요. 그래서 우리 설계도에도 끈적이는 발바닥을 넣었습니다. 이제 매끈한 표면에 대해 고려할 차례입니다. 우리는 이것에 착안했어요. 이게 더 낫겠네요. 도마뱀은 자연에서 볼 수 있는 나노기술의 놀라운 예입니다. 이게 그 발이고요. 마치 외계인처럼 보이네요. 도마뱀이 벽에 잘 붙는 비결은 털이 많은 발가락에 있습니다. 얘네들은 초당 1미터를 달릴 수 있습니다. 1초에 30걸음을 밟고요 -- 그걸 본다는건 쉽지 않아요. 느린 화면으로 보면, 이들의 발은 0.008초만에 붙습니다. 그리고 0.016초에 뗍니다. 그게 어떻게 발을 떼는지를 보면, 정말 특이해요. 테이프를 떼어 내듯이 발을 표면에서 뗍니다. 매우 특이하죠. 어떻게 붙을 수 있을까요?

이들의 발을 보면, linalae라고 불리는 잎과 같은 구조를 지니고 있어요. 수백만개의 털과 함께요. 각 털 끝은 매우 잘게 갈라져 있습니다. 수 백에서 수 천개의 분열된 끝단을 가지고 있어요. 그게 비결이죠. 그것 때문에 벽에 잘 붙을 수 있는 겁니다. 도마뱀은 200나노미터 크기의 끝단을 10억개 가지고 있어요. 점액으로 붙는 것이 아니고, 벨크로 접착제나 흡입기처럼 동작하지도 않아요. 단지 분자간 힘으로만 붙는 다는 것을 알아냈습니다. 자 그래서 우리 설계도에도, 털을 나눠야겠네요. 이것에서 영감을 받아 우리는 최초로 자기세척 건식 접착체를 만들었습니다. 특허도 냈습니다. 이 사실을 알리게 되어서 기쁩니다. 그리고 이게 자연에서 가장 단순한 버젼입니다. 제 동료 Ron Fearing의 시도가 있었고요. 이 인공 건식 접착제는 폴리우레탄으로 만든 것입니다. 하중을 얼마나 받는지 시험해 본 것이구요.

여러 다른 분야에서 다양하게 쓰여질 수 있죠. 수 많은 가능성을 생각할 수 있습니다. 제가 확신해요. 대개 그렇듯이, 이것으로 새로운 제품을 만든다는 것은 즐거운 일이죠. 우리는 만들 제품을 상상해봤습니다. 예를 들면 이런거죠. 생명체에서 영감을 받은 반창고를 상상해봤습니다. 접착제가 없는 반창고죠. 탈피하는 도마뱀에게 털을 채취하고 여기 감기는 부분에 두어서, 반창고를 만들었습니다.

이 사람은 대학생 자원봉사자입니다. 3만명의 학사과정 학생 중에서 뽑았죠. 저건 그냥 붉은 펜으로 그린겁니다. 엄청난 반창고가 만들어졌죠. 공기도 통하고, 쉽게 뗄 수 있고, 자극도 없어요. 물 속에서도 붙어 있습니다. 저는 이게 호기심에서 출발한 연구가 어떤 것인지를 보여주는 특별한 예라고 생각해요. 우리는 단지 도마뱀이 어떻게 벽을 타고 오르는지가 궁금했을 뿐이었어요. 그런데 결국 전에는 상상도 못 했던 것을 만드는 결과를 가져왔죠. 이건 호기심에서 시작된 연구를 왜 지원해야 하는지를 보여주는 예입니다. 이제 반창고를 떼고 있네요.

이제 우리는 '발이란 무엇인가'를 다시 정의내렸습니다. 문제는 이런 자연의 비밀을 우리가 활용할 수 있는가죠. 자연에서 보는 것 보다 더 좋은 발을 만들 수 있을까요? 여기 새 프로젝트가 있습니다. 우리는 최초로 벽을 오르는 수색구조 로봇을 만들려고 합니다. 흡입기나 자석을 쓰지 않구요. 그런 것들로는 움직일 수 있는 표면이 한정되어 있거든요. 이 새로운 로봇은 RiSE라고 합니다. "기어오르기 알맞은 환경의 로봇"이란 뜻이죠. 이 로봇을 만들기 위해 특별한 생물학자와 공학자 팀이 함께 하고 있습니다. 이게 RiSE입니다. 6족에 꼬리가 있습니다. 여기 담장과 나무가 있는데요. 이제 RiSE가 첫 발을 내딛으며 경사면을 올라가고 있습니다. 소리 들리죠? 올라가는 소리가 들릴꺼에요. 이제 여러분 쪽으로 오고 있죠. 처음으로 벽을 오르는 모습입니다. 이건 가장 단순한 형태의 발이고, 가장 최근에 만든 것이지만 이 로봇은 기동성을 갖고 있다고 생각합니다.

Mark Cutkosky는 이것을 한단계 발전시켰습니다. 그는 이 형상침착제조법으로 발과 발가락을 만드는 기술을 가진 사람입니다. 다음 단계는 움직일 수 있는 발가락을 만드는 것입니다. 그리고 거기에 가시와 발톱과 건식접착을 추가합니다. 이 아이디어는 처음으로 발가락과 발을 만들어서 이를 로봇에 붙인 후에,벽을 기어오를 수 있도록 하는 것입니다. 이게 그가 해낸 일 입니다. 그는 자연에서 영감을 받아 등반하는 발달린 로봇을 만들었습니다.

이것이 Cutkosky와 그의 놀라운 제자들이 만든 디자인입니다. 이것들은 발가락을 갖고 있습니다. 모두 6개죠. 여기에는 우리가 아까 설계도를 그릴때 고려했던 모든 이론들이 사용됐습니다. 이건 흡입기도, 점액도 사용하지 않았습니다. 그리고 궁극적으로는, 이것을 가진 로봇이 - 생물학에서 영감을 받은 이 로봇이 동물들 처럼 어떤 표면이라도 오를 수 있기를 희망합니다. 이제 스탠포드대 건물의 벽면을 오르는 걸 보실텐데요. 속도를 높이죠. 발로 오르고 있는 거에요. 아직 전체 로봇은 아니지만, 연구중입니다. 이게 어떻게 붙는지 보이시죠. 이 튜닝된 구조는 가시와 발바닥, 그리고 근본적으로 접착 털을 가지고 다른 여러 어렵고, 복잡한 표면을 올라가고 있습니다. 이런 것도 가능하죠. 이건 20배속 화면인데요. 이 벽을 기어올라서, 윗 층에 있는 사람을 구출한다고 상상해보세요. 괜찮죠? 이제 보셨으니, 불가능한게 아닙니다. 매우 어려운 과제이지만, 앞으로 해야 할 것이 더 많아요.

마치면서, 지금까지 어떻게 발이 만들어지는지를 보면서 자연의 디자인 비밀을 알게되었습니다. 우리 몸에 대한 통제기능을 다른 똑똑한 부분들에도 나눠야 함을 알았습니다. 모든 걸 머리에서 하려고 하지 마세요. 발이나 다리, 몸에 통제기능을 맡겨보세요. 자연은 이런 문제를 해결하기 위해 하나가 아닌 다양한 해법을 찾고 있습니다. 그 모든 게 합쳐져서, 아름다우리만치 원기왕성함을 보입니다. 세번째로, 우리는 단순히 자연을 모사하는 것이 아닌 생물학에서 영감을 받은것이라고 믿고 있습니다. 그리고 최고의 공학적 해법으로 이 새로운 원칙을 사용합니다. 어쩌면 자연보다 더 나은 무언가를 만들 수 있겠죠.

여기에는 분명한 교훈이 있습니다. 만약 여러분이 흥미롭고, 특이하고, 놀라운 동물을 연구하는 기초 연구에 대해서 관심이 있거나, 아니면 지진이나 화재에서 사람을 구하는 수색구조 로봇을 만들고 싶다거나, 아니면 의학에 관심이 있다면, 이런 자연의 디자인을 보존해야 합니다. 그렇지 않으면 이런 비밀들은 영원히 사라질 지도 모릅니다. 감사합니다.