로버트 풀 : 공학과 진화

반갑습니다. 첫번째 슬라이드를 보여주시겠습니까? 몇몇 공학자들이 계산한 것과는 달리, 벌들은 비행할 수 있고, 돌고래들은 수영 할 수 있고, 도마뱀들은 심지어 매끈한 표면도 올라갈 수 있습니다. 오늘 저에게 주어진 짧은 시간동안 자연이 만들어 놓은 비밀을 알아낼 때의 전율을 여러분도 경험할 수 있었으면 합니다. 제가 늘 하는 일이지만, 정말 놀랍습니다. 이번 발표에 여러분과 약간이라도 이 느낌을 나누고 싶습니다. 자연이 디자인한 것을 살펴볼 때의 어려움 -- 그것을 알아낸 방법과 어떻게 응용했는지를 알려 드리겠습니다. 어려운 점은 당연히, 이런 질문들의 답을 찾는 것입니다: 동물들의 이 비범한 능력을 가능케 하고 기본적으로 어디로든 이동할 수 있게 하는 것은 무엇인가? 그리고 만약 그것을 알아 냈다면, 그러한 디자인을 어떻게 적용할 수 있을까?

아마 생물학자들은 공학자나 다른 이들에게 이렇게 말하겠죠. '생물들을 그렇게 되기 까지 몇백만년이 걸렸으며, 그들은 굉장하며, 모든 것을 훌륭하게 잘 할 수 있어요' 해답은 생체모방입니다 -- 그냥 직접적으로 자연을 따라하는 거죠. 동물들을 연구하면서 알게 된 사실은 모방이 정말 쉽지 않다는 것입니다. 왜냐하면 진화는 괜찮은 법칙에는 적용되지만, 완벽한 법칙에는 적용되지 않습니다. 어떤 생물체를 만들던 간에 나타나는 제약조건을 들여다보면 정말 충격적입니다. 자연의 기술은 놀라운 제약조건이 있습니다. 만약 여러분이 공학자이고, 제가 여러분에게 이런 요구를 한다고 쳐봅시다. 자동차를 만들어야 하는데, 처음에는 이 정도 크기에서 출발해서, 점점 커져야 하고, 그러는 과정에서도 계속 작동하도록 만들어야 한다고 치죠. 여러분이 제가 만들라고 한 자동차를 만드는데, 그 안에도 또 다른 자동차를 만들 공장이 안에 있어야 한다는 사실을 상상해 보세요.

(웃음)

여러분은 절대로, 절대로 그런 자동차는 못 만들거에요. 왜냐하면 역사와 유전은 백지상태에서 출발하기 때문입니다. 생물체들은 중요한 역사를 갖고 태어납니다. 진화는 공학자라기보다는 땜쟁이처럼 작용하죠. 동물들을 보면 이것은 정말 중요한 점입니다. 대신에 우리는 생물학에서 영감을 얻어야 한다 생각합니다. 일반적인 자연의 법칙을 알아내야 하고, 유익한 것이 있다면 유사하게 이용할 수 있어야 합니다. 사실 그렇게 하기는 매우 어렵죠. 왜냐하면 동물은, 제대로 살펴보고, 어떻게 작용하는지 연구하기 시작하면, 절망적일 정도로 복잡해 보입니다. 세부적으로 설명해 놓은 디자인 계획의 기록같은 것은 어디서도 찾아 볼 수 없습니다. 관절로 가능한 너무나 많은 동작들과, 너무 많은 근육, 심지어 우리가 가장 간단하다고 생각하는 동물, 곤충들조차도 상상보다 많은 신경과 연결체들을 가지고 있습니다.

이것이 어떻게 말이 될 수 있나요? 우리가 믿기론 -- 그리고 우린 가정했기를 -- 동물이 단순하게 일하기 위해서는, 그들의 동작을 제어하는 것이 몸 안에 만들어져 있을 때 입니다. 우리가 발견한 것은 2, 4, 6 그리고 8개의 다리를 가지는 동물들 모두가 지상에서 움직일때 같은 힘을 만들어 낸다는 것입니다. 모두 이 캥거루 처럼, 튑니다. 그런 동작은 스프링 질량계를 가지고 모델을 만들 수 있습니다. 우리는 생체역학자이기 때문에 스프링 질량계라는 용어를 쓰지만, 사실 스카이 콩콩 같은 겁니다. 전부 스카이 콩콩의 패턴을 만들어냅니다. 어떻게 그럴 수 있을 까요? 인간의, 여러분의 다리 중 하나는, 빠르게 걷는 개의 두 다리 처럼 작동하거나, 빠르게 걷는 곤충의 3개의 다리가 하나인 것처럼 작동하거나 빠르게 걷는 게의 4개의 다리를 하나로 묶어서 작동하는 것과 같습니다. 그리고 그것들을 엇갈려 움직이면서 추진력을 만들어내죠. 하지만 패턴은 모두 같습니다. 대부분의 모든 생물체가 이런 식으로 움직입니다. 다음 주에 기사가 나갈텐데요, 힌트를 조금 드리자면, 정말 큰 것들, 예를 들어 티라노사우르스 같은 동물들은 아마 이렇게 못할 겁니다. 다음 주에 기사를 읽어 보시면 알거에요.

흥미로운 점은, 동물들은 이렇게 수직면으로 뛴다고 했는데, 픽사(Pixar)의 "벅스 라이프"를 공동제작할 때 두발로 걷는 개미 캐릭터들에 관해서 의논한 적이 있었습니다. 개미들도 당연히 다른 면으로도 움직일 수 있다고 말했더니, 그들은 이런 질문을 했습니다. "왜 정중면이나 수직면에 대해서만 모델을 만들죠? 이 동물들이 수평면으로도 움직일 수 있다고 말해주셨는데도 말이죠?" 이건 좋은 질문입니다. 생물학 관련 종사자는 아무도 이렇게 모델화 하지 않았습니다. 우리는 그들의 조언을 받아들여서, 수평면으로도 이동하는 동물 모델을 만들었습니다. 3개의 다리가 하나처럼 움직이도록 하고, 세계적으로 유명한 프린스톤의 수학자들을 불러다가 이 문제를 해결 하도록 했습니다. 우리는 모델을 만들 수 있었는데 그 동물들은 상하로 뛸 수 있을 뿐만 아니라 동시에 좌우로도 뛸 수 있었습니다. 그리고 많은 생물체들은 이러한 패턴을 따릅니다. 이 모델을 가지는 것이 왜 중요한 것일까요? 왜냐하면, 이점이 흥미로운데요, 이 모델을 불안정하게 하고, 밀고 그러면, 어딘가에 부딪히면서도 스스로 안정된 자세를 취합니다. 뇌도 없고, 반사신경도 없지만, 그냥 그 구조 스스로 해냅니다. 정말 아름다운 모델이에요. 수학공식을 한번 보시죠.

(웃음)

넘어가죠.

(웃음)

동물들이 뛰는 것을 관찰하면, 기본적으로 용수철 같은 다리를 이용해서 이렇게 스스로 안정된 자세를 취하는 듯이 보입니다. 그 것은 바로 동물안에 특정한 형태로 내재되어 있는 감각제어 알고리즘을 통해서 다리 스스로가 계산을 하는 것입니다. 우리는 왜 자연과 이러한 발견들에 좀 더 영감을 받지 못했던 걸까요? 제가 말할 수 있는 건, 인간 기술은 자연의 기술과는 전혀 다른 형태를 띱니다. 적어도 지금까진 그렇죠. 여러분이 일반적으로 보는 전형적인 로봇을 생각해 봅시다. 인간의 기술은 크고, 납작하고, 정확한 각도를 유지하고, 단단하고, 금속성으로 만드는 경향이 있죠. 전동장치와 차축도 있어야 하고요. 모터는 적게 쓰고, 센서도 많지 않습니다. 반면에, 자연이 만든 것은 작고, 유선형입니다. 그리고 굽힐 수도 있고, 비틀기도 하고, 다리도 길거나 짧습니다. 그리고 많은 근육과 정말 정말 많은 센서를 갖고 있죠. 정말 완전히 다른 디자인이죠. 하지만, 바뀌고 있는 것은, 그리고 정말로 재미있는 것은 -- 잠시후에 몇가지 예를 보여드릴텐데요-- 인간의 기술이 자연의 특성을 점점 더 많이 받아 들이고 있다는 것입니다. 진정 자연이야말로 가장 훌륭한 선생님인 것이죠.

정말로 재미있는 것의 한 가지 예가 이것입니다. 스탠포드 대학교와 공동으로 작업한 것인데요. 그 대학에서는 형상침착제조법(SDM)이라는 새 기술을 개발했습니다. 이 기술은 재료들을 섞어서 원하는 어떤 형태로 만들고 그리고 거기에 재료의 물성을 부여하는 기술입니다. 그렇게 만들어진 형태안에 센서와 구동장치를 집어 넣을 수 있게 되죠. 예를 들어, 여기 이 다리 -- 투명한 부분은 단단하고, 흰 부분은 유연해서, 그부분에 다른 어떤 축도 필요하지 않습니다. 스스로 예쁘게 구부러지죠. 그래서 여기에 속성을 넣을 수도 있습니다. 이 기술로 Sprawl이라는 이름의 작은 로봇을 생산하는 디자인을 선보이기도 했습니다. 이 작업은 다른 로봇제작에도 영향을 주었는데, 미시건대학과 맥길대학에서 만든 생물학적 특성을 반영한 뛰는 로봇인 RHex라는 이름의 곤충로봇이 그것입니다. 이것은 스스로 움직이죠. 비디오를 통해 이 동물들의 움직임을 보여드리겠습니다. 그리고 우리들이 발견한 것들에 기초하여 만들어진 단순한 로봇 몇 개를 보여드리겠습니다. 여기 계신 몇몇 분들이 오늘 아침에 하셨겠죠. 물론 러닝 머신은 아니고 밖에서 하셨겠지만요. 이게 우리가 하는 일입니다.

(웃음)

이건 해골 바퀴벌레 -- 이건 미국 바퀴벌레 여러분의 부엌에는 없을 거라 생각하시겠죠. 이건 다리 8개의 전갈, 다리 6개의 개미, 그리고 44개의 다리를 가진 지네입니다. 이런 동물들이 모두 스카이 콩콩처럼 움직인다고 말씀드렸었죠 -- 모두 움직이면서 튀고 있고, 지금 보시는 것처럼 이 파나마와 북캐롤라이나의 해변에서 온 유령게도 마찬가지입니다. 뛸 때의 속도가 초속 4미터까지 올라가죠. 사실 이것은 공중으로 뛴 후, 허공에 잠시 머물러 있는 동작입니다. 말처럼요. 여기 이렇게 튀어 오르는게 보이시죠. 우리는 리처드 같은 사람의 다리나, 바퀴벌레의 것이나, 게의 것이나, 캥거루의 것이나.. 지금까지 보아온 모든 것의 다리의 상대적인 스프링 강성은 모두 동일하다는 것을 알아냈습니다. 스프링 같은 다리의 장점은 무엇이고, 무엇을 할 수 있는 걸까요? 우리는 그것이 동물들에게 더 나은 안정성과 기동성을 주는지 알아 보고 싶었습니다. 그래서 우리는 관찰하고자 하는 동물 높이의 3배나 되는 장애물지역을 만들어 관찰했습니다. 당연히 넘지 못하리라 예상했지만, 그들이 해낸 결과를 보시죠. 동물은 장애물을 뛰어 넘었고, 심지어 감속하지도 않았습니다. 달리던 속도를 전혀 줄이지 않았습니다. 우리는 그것이 그렇게 할 수 있다는 것을 믿지 않았습니다. 이 결과가 시사하는 것은, 만약 로봇에게 매우 간단한 스프링 같은 다리를 만들어준다면, 지금까지의 어떤 것보다도 방향 조종이 쉬운 로봇을 만들 수 있다는 것이었습니다.

그 첫 번째 예가 바로, 스탠포드대학의 형상침착제조법(SDM)을 활용해서 만든 Sprawl이라는 이름의 로봇입니다. 6개의 다리가 있고 -- 조정된 스프링 다리들입니다. 곤충의 걸음걸이 그대로 움직이는데요, 이제 러닝머신 위에 올라가네요. 여기서 이 로봇에 대해 중요한 점은, 다른 로봇들과는 달리, 아무것도 볼 수 없고, 아무것도 느낄 수 없고, 뇌도 없지만, 장애물들을 피해 움직이는 데에 아무런 어려움이 없다는 겁니다. 이것이 바로 어떠한 형태에 속성을 부여하는 기술입니다. 이것은 한 대학원생이 학위논문 프로젝트로 만들고 있는 것인데요, 사실, 대학원생의 학위논문 프로젝트치고는 좀 힘든 과제죠.

(웃음)

이것은 맥길과 미시칸 대학에서 만든, RHex 인데, 첫번째 데모 실험을 하는 겁니다.

(웃음)

같은 원리입니다. 움직이는 부분은 단 6군데 입니다. 6개의 모터, 하지만 스프링같은 잘 조절된 다리가 있습니다. 곤충의 걸음걸이처럼 움직이죠. 가운데 다리가 반대쪽의 앞다리, 뒷다리와 동시에 같이 움직이죠. 다리 세 개씩 서로 교차하면서 움직인다고 보시면 됩니다. 그리고 진짜 동물들처럼 장애물을 넘어다닐 수 있습니다.

(웃음)

[세상에!]

(박수)

다른 지면에서도 거침없습니다, 여기는 모래네요, 아직 발을 완성하지는 못했지만, 나중에 알려드리겠습니다. RHex가 숲으로 들어가네요.

(웃음)

다시 말하지만 이 로봇은 아무것도 볼수 없고, 아무것도 느낄 수 없고, 뇌도 없습니다. 이것은 단지 조절된 기계 시스템과 매우 단순한 부품들로만 동작합니다. 하지만 이것은 동물들의 기본적 움직임으로부터 영감을 받은 것입니다. [아, 저거 괜찮은데요, Bob.] 이제 길목을 지나가네요. 저는 이것을 NASA의 제트추진연구소에서 발표한 적이 있는데요, 그들 말이, 자기들 장비로는 화성의 얼음이나 생명체를 찾기위해 분화구 속을 내려갈 능력이 없다고 하더군요. 특히 분화구 지면이 너무 복잡해서, 다리 달린 로봇의 경우는 불가능하다구요. 그래서 다음으로 제가 얘기했죠. 그들을 설득하기 위해서 RHex의 간단한 디자인을 소개한 동영상을 보여주며, 우리가 2011년에는 화성으로 가야 한다고요. 영상이 주황색인 이유는 화성에 온 것 같은 느낌을 주기 위해 그런거에요.

(웃음)

(박수)

동물들이 어디든 갈 수 있는 이 놀라운 능력을 갖게 된 이유는, 그들이 환경과 효과적으로 상호작용하기 때문입니다. 다음으로 여러분에게 보여드릴 동물은 우리가 연구했던 도마뱀입니다. 여기 한 마리 있는데요. 자세에 주목하세요. 딱 붙어있죠. 그럼, 문제 하나 드리지요. 비디오를 하나 보여드리겠습니다. 이 도마뱀 중 하나는 수평을 달리는 거고, 하나는 벽을 타고 오르는 겁니다. 구별하실 수 있겠어요? 도마뱀은 초당 1미터를 움직이는데요. 왼쪽도마뱀이 벽을 기어오른다고 생각하는 분은 몇 분이나 되시나요?

(박수)

좋습니다. 이 시점에서는 매우 분간하기 힘들지요, 그렇죠? 정말 놀랍습니다. 학생들에게도 같은 질문을 했었는데 그들도 분간을 못하더군요. 도마뱀은 초당 1m 속도로 벽을 오르고, 15걸음을 걷지만, 여전히 수평으로 뛰는 것처럼 보입니다. 어떻게 하는 걸까요? 정말 경이롭습니다. 사실 오른쪽에 있는게 벽을 오르는 겁니다. 얘들이 이걸 어떻게 하냐하면 -- 그들은 특이한 발가락을 가지고 있습니다 -- 이들의 발가락은 입으로 불면, 무슨 파티에서 선물 나눠주듯 무언가를 풀어내는데, 그리고 표면에 테이프 처럼 얇게 벗겨냅니다. 만약 우리가 테이프가 있다면 이런 식으로 벗겨내겠지요. 것을 발가락으로 하는 겁니다. 정말 특이하죠. iRobot사는 이 동작에 힌트를 얻어서 Mecho-Gecko 로봇을 만들었습니다. 다리를 단 버전과 견인차 버전, 또는 불도저 버전이 있죠. 도마뱀들의 움직임을 담은 영상 몇개를 본 후, 로봇들을 잠깐 보여드릴께요. 이건 수직면을 뛰어가는 도마뱀입니다. 지나갔죠, 실시간입니다. 또 지나갔네요. 아무래도 좀 느리게 해야겠어요.

그냥 보통 카메라로는 안됩니다. 이걸 보려면 초당 1,000장의 사진을 찍어야 하는데요 여기 1초당 1,000프레임의 비디오를 보시죠. 여기서 이 동물의 등을 주목하셨으면 합니다. 등이 휘어지는 게 보이죠? 우리는 아직 그 이유를 찾지못했습니다. 아직 풀지 못한 미스테리입니다. 저 동작이 무슨 역할을 하는지 몰라요. 만약 여러분의 자녀들이 버클리대에 가려한다면, 제 연구실에서 함께 해결하면 좋겠네요. 자, 버클리로 보내세요. 제 다음목표가 그 이유를 찾는 겁니다. 이건 도마뱀 러닝머신 이구요.

(웃음)

투명한 벨트로 만든 러닝머신인데요, 동물들의 발을 볼 수 있어서, 비디오 녹화를 한후 어떻게 움직이나 관찰할 수 있습니다. 지금 보시는 동물은 수직면을 달리고 있는데, 다리 하나를 골라 발가락을 유심히 보시면, 뭘 하는지 볼 수 있습니다. 그것이 이 발가락들을 펴고, 벗어내는 것을 보세요. 이 동작을 0.014초만에 할 수 있습니다. 놀랍죠. 이것을 바탕으로 만든, iRobot사의 Mecho-Gecko입니다. 먼저 발가랏을 벗겨내는 동작을 보시죠 -- 저거 좀 보세요. 그리고 이것이 Mecho-Gecko의 벗겨내기 동작입니다. 로봇은 압력감지 접착기를 이용합니다. 동물의 벗겨내기 동작과, Mecho-Gecko의 벗겨내기 동작입니다. 평평한 면도 스스로 타고 올라갈 수 있고, 벽에서도 이동하고, 천장도 갈 수 있습니다. 이건 불도저 버전입니다. 이건 압력감지 접착기를 이용하지 않습니다. 동물은 그것을 사용하지 않죠. 하지만 여기서 한계점에 봉착합니다.

동물은 어떻게 하나요? 동물은 이상한 발가락을 갖고 있죠, 그리고 발가락을 보시면, 여기 작은 덧판들이 있고, 더 크게 확대해서 보면, 이 덧판들에는 작은 줄무늬들이 있습니다. 270배 확대하면, 무슨 양탄자처럼 생겼습니다. 더 크게, 900배 확대해보면, 거기에 털들이 있는데, 작은 털들이죠. 그걸 자세히 보면 그 작은 털들에도 줄무늬가 있습니다. 이걸 30,000배 확대하면, 각 털 끝이 두 갈래로 나눠져 있습니다. 크게 보면, 끝에 작은 구조들이 있음을 알 수 있습니다. 털의 가장 작은 가지는 주걱 처럼 생겼고 한마리가 이런 나노크기의 갈라진 끝을 10억개나 가지고 있기 때문에, 벽에 달라붙는겁니다. 이게 여러분 머리카락의 직경이고, 도마뱀은 이런 털을 200만개 가지고 있고, 각 털은 100개에서 1000개의 갈래를 가집니다. 그것들이 붙어있는걸 상상해보세요. 충분히 가능하죠.

운 좋게도, 스탠포드의 또 다른 연구진이 우리를 위해 특별한 수동센서를 만들어 주어서 털 하나의 힘을 측정 할 수 있었습니다. 여기 많지 않은 갈래끝을 가진 털 한가닥이 있는데요, 이것의 힘을 측정해보면, 엄청난 힘을 발휘했습니다. 이 정도 크기의 털로도 힘이 너무나 세서, 도마뱀의 발바닥이라면 약 18kg의 작은 어린아이도 들 수 있을 겁니다. 이게 어떻게 가능할까요? 우린 최근에야 그 이유를 알아냈습니다. 마찰을 이용하는 걸까요? 아니요, 힘이 너무 약해요. 그럼 정전기를 이용하는 걸까요? 아니요, 전하를 바꿔도, 그들은 계속 붙어 있습니다. 서로 맞물리게 하는 걸까요? 벨크로 접착포 같은 거 말이죠. 아니요, 도마뱀은 정말 매끈한면에도 달라붙습니다. 답이 아니죠. 흡착하는 걸까요? 아뇨, 진공에도 달라붙습니다. 수분 접착일까요? 아니면 모세관 접착일까요? 그들은 어떤 접착제도 없고, 심지어 물에서도 잘 붙어 있습니다. 다리를 물에 담궈도, 잘 잡습니다. 그럼 어떻게 하는 걸까요? 믿거나 말거나, 도마뱀들은 분자간의 힘을 이용합니다. '반 데르 발스 힘'이라는 건데요.

아주 오래전에 화학시간에 배우셨을텐데 -- 가까이 있는 두개의 원자가 있고, 전자가 주변을 돌고 있습니다. 그 때 발생하는 작은 힘으로도 벽에 달라붙기에 충분하죠. 왜냐하면 이 작은 구조안의 힘들이 엄청나게 모여 더해지기 때문입니다. 우리가 하고 있는 일은, 이 털들을 모방해서, 버클리의 다른 연구진들과 제품을 만들어내고 있습니다. 그리고 최근에 우리는 돌파구를 마련했는데, 세계최초로 자정기능을 가진 합성 건식 접착제를 만들어 낼 것이라 믿습니다. 많은 기업들이 이것에 관심을 보이고 있어요.

(웃음)

심지어 나이키에도 발표 했습니다.

(웃음)

(박수)

이걸 어떻게 발전시키는지 보시죠. 이것도 참 재밌는데요. 우리가 알고 있는 것은 이 정도로 작은 크기이면서도 어디에나 달라 붙고, 중력따위는 더이상 문제가 되지 않습니다, 바로 개미와 그것의 발을 관찰할 필요가 있는데요, 왜냐하면 버클리의 제 동료 하나가, 다리를 가진 6mm짜리 실리콘 로봇을 만들었습니다. 그런데 아직까지는 장애물에 걸리면, 잘 움직이지 못합니다. 하지만 개미들은 가능하죠. 우리는 이 문제를 해결해서, 언젠가는 움직이게 할 것입니다. 그리고 한번 상상해보세요. 이 6mm 로봇 무리들이 주변을 돌아다니는 겁니다. 앞으로 어떤 일들이 벌어질까요? 이미 보고 계신데요.

틀림없이 인터넷은 이미 눈과 귀를 가지고 있습니다. 웹캠 같은 것들이죠. 하지만 다리와 팔도 갖게 될 겁니다. 여러분은 이런 종류의 로봇들을 프로그래밍할 수 있게 되고, 어디서나 달리고, 날고, 수영할 수 있게 됩니다. 시작할 때 보셨던 David Kelly와 그의 물고기처럼요. 결론으로, 이런 말씀을 드리고 싶습니다. 만약 어떤 교훈이 필요하다면, 자연만으로는 부족하다면, 아니면 수색, 구조작업, 지뢰 제거, 의료분야, 또는 여러분이 속한 다양한 분야에 관심이 있다면, 우리는 자연이 만든 것들을 보존해야 합니다. 그러지 않으면 이 비밀들은 영영 사라질겁니다. (감사합니다)

(박수)