[편집자 주]로봇은 압력·온도·가속도·음향 등 다양한 센서를 통합해 인간 손보다 높은 해상도의 촉각을 구현할 수 있다. 특히 이런 다양한 센서는 제조·데이터센터·의료·위험환경 등 산업 전반에서 로봇 활용을 확장할 기반 기술로 제시되고 있다. 로봇이 인간처럼 섬세하게 사물을 다루기 위해 필요한 핵심 기술인 다중 모달 촉각 센서의 중요성에 대해 아나로그디바이스(Analog Devices, ADI)로 부터 들어봤다.


휴머노이드 로봇은 오래 전부터 공상과학 소설의 아이콘으로서 우리의 상상력을 자극해 왔으며, 산업을 변화시키고 일상생활을 향상시킬 것이라는 희망과 함께 실제 프로토타입으로 진화해 왔다.

이러한 가능성을 현실로 만들기 위해서는 로보틱스가 아직 달성하지 못한 돌파구, 즉 인간 수준의 정밀도로 물리적 세계의 물체를 조작할 수 있는 능력이 필요하다.

진정으로 정교한 조작 능력(dexterity)을 구현하려면 부드러움, 질감, 취약성, 위치 피드백 정보 등 현실 세계의 미묘한 물리적 특성까지 포착할 수 있는 센싱 기술이 필수적이다.

이 과제의 중심에는 촉각 센서(tactile sensor)가 있다.

촉각 센서는 단순히 움직이는 기계적 도구에 불과했던 로봇의 손을 실제 환경에서 다양한 작업을 수행할 수 있는 적응형, 다기능, 지능형 말단 장치로 변화시킬 수 있는 핵심 기술이다.

또한 고해상도 촉각 센싱은 AI 학습에도 중요한 요소로, 차세대 로봇의 정교한 조작 능력과 자율성을 구현하는 기반이 될 것으로 기대된다.

■ 로봇은 단순히 세상을 보는 것을 넘어, 세상을 느낄 수 있어야 한다

○ 비전과 촉각

지금까지 로봇의 물체 조작 기술은 주로 비전 시스템에 의존해 발전해 왔다.

비전 기술은 로봇이 주변 환경을 인식하고 물체를 식별하는 데 효과적이지만, 시각 데이터를 처리하기 위해서는 상당한 연산 능력과 컴퓨팅 자원이 필요하다.

이러한 비전 기반 시스템은 다양한 작업에서 뛰어난 성능을 발휘하지만, 로봇이 상호작용해야 하는 물체가 매우 작거나 형태가 변하는 경우, 또는 시야에서 가려져 있을 경우에는 한계가 있을 수 있다.

이러한 제약을 극복하기 위해 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.(ADI))는 조작 과정에 새로운 물리적 정보를 제공하는 멀티모달(multimodal) 촉각 센싱 프로토타입을 개발하고 있다.

이 기술은 기존의 시각 정보에 촉각 정보를 결합함으로써 로봇이 주변 환경을 더욱 정확하게 이해하고 보다 정교한 조작 능력을 수행할 수 있도록 해준다.
 

○ 멀티모달 촉각 센싱

기존의 로봇 손은 힘 센서와 토크 센서에 의존해 왔지만, 인간의 촉각은 물체와 상호작용할 때 훨씬 더 풍부한 정보를 제공한다.

이러한 복잡성을 로봇에서 재현하기 위해서는 멀티모달 촉각 센싱이 필요하며, 이는 손가락 끝과 손바닥에 통합된 다양한 감각 모달리티의 융합을 의미한다.

이러한 모달리티를 구현하기 위해서는 다음과 같은 센서를 포함해 다양한 기술들이 요구된다.

▶압력 및 힘 센서
그립 강도, 물체가 취급 과정에서 보이는 저항, 그리고 전단력 분포(shear distribution)를 감지한다.

▶온도센서
열적 특성을 식별하며, 온도에 민감한 재료를 다룰 때 중요한 역할을 한다.

▶마이크로폰
음향 신호와 진동을 포착하여 표면 질감을 감지하거나, 커넥터가 체결될 때 발생하는 딸깍 소리와 같은 가청 이벤트를 감지할 수 있게 한다.

▶가속도계
3차원 공간에서의 가속도 벡터를 측정하여 미끄러짐, 재료의 특성, 그리고 예상치 못한 손가락 끝의 움직임을 감지한다.

이러한 멀티모달 데이터는 빠른 반응 시간을 구현하기 위해 높은 주파수로 수집되어야 한다.

이는 방대한 데이터 스트림을 생성하며, 이러한 데이터를 융합하고 상황적 맥락을 해석하기 위해서는 AI 알고리즘이 필요하다.

어떤 촉각 센서이든 힘의 변화를 감지할 수는 있지만, 그 변화가 의미하는 바를 이해하는 것은 AI의 역할이다.

예를 들어, 단순히 힘이 변했다는 사실을 보고하는 대신, AI는 유리컵이 미끄러지고 있다는 것을 추론하여 즉시 그립 강도를 조정할 수 있다.

정교한 로봇 손을 개발하기 위해서는 산업 규모로 확장 가능한 센서 제조 기술이 필수적이다.

ADI는 확장 가능한 촉각 센서 프로토타입을 개발하고 있으며, 인간 손가락 끝보다 최대 5배 높은 해상도를 달성하고 있다.

이러한 다양한 센싱 모달리티는 센서 융합의 대표적인 사례로, 휴머노이드 로봇의 손에 적용하기 위한 최고 수준의 촉각 센서 시스템 구현에 초점을 맞추고 있다.

■ 여러 모달리티를 통합하기 위한 설계 과제

여러 센서를 손가락 끝 크기만한 모듈에 집적하는 것은 엔지니어링의 성과라 할 수 있다.

각각의 모달리티가 추가될 때마다 시스템의 복잡성이 증가하기 때문에 다음과 같은 요소들을 반드시 고려해야 한다.

▶크기
센서, 신호 조정 회로, 그리고 연결 인터페이스는 모두 손가락 끝 안에 들어갈 수 있어야 하므로 소형화가 관건이다.

▶대역폭
고해상도 멀티모달 센서는 방대한 양의 데이터를 생성한다.

충분한 대역폭은 이러한 이러한 촉각 데이터가 병목 현상이나 데이터 손실 없이 손가락 끝에서 손 내부의 컴퓨팅 장치로 안정적으로 전달되도록 보장한다.

▶지연 시간
로봇은 깨지기 쉬운 물체를 부수거나 떨어뜨리지 않기 위해 인간의 반사 신경만큼 빠르게 센서 데이터를 처리하고 동작을 수행해야 한다.

낮은 지연 시간은 민감한 촉각 정보를 실시간 물리적 반응으로 변환하는 데 있어서 매우 중요하다.

▶반복성
높은 데이터 품질을 유지하기 위해서는 시간의 경과에 따른 신호 드리프트와 하드웨어 간 편차를 최소화해야 한다. 일관된 센서 성능은 로봇 군집 전반에 걸쳐 안정적인 운영과 신뢰할 수 있는 데이터 수집을 보장한다.

▶내구성
센서는 빈번하거나 예기치 않은 교체를 최소화할 수 있도록, 충분한 신뢰성을 통해 예측 가능한 사용 주기 횟수를 보장하도록 내구성을 갖춰야 한다.

■ 산업 전반에 걸친 영향
▶자동차 제조
로봇은 자동차 차체를 용접할 수 있지만, 차량 조립 과정에서 복잡한 배선을 연결하고 배치하며 설치하는 작업은 여전히 인간 작업자의 몫이다.

촉각에 민감한 로봇 손이 구현된다면 이러한 공정을 자동화할 수 있으며, 인력 부족 문제를 완화하고 생산 능률을 향상시킬 수 있다.
 

▶데이터센터
데이터센터에는 수만 개에 달하는 반복적인 배선 연결 작업이 필요하다.

이러한 연결을 유지 관리하기 위해서는 로봇 팔과 로봇 손이 복잡하게 얽혀 있는 배선들 사이를 통과하며 작업할 수 있어야 한다.

촉각 센서는 로봇 손이 복잡한 배선 경로를 따라 유연하게 움직일 수 있도록 지원하며, 원하는 위치에 도달해 케이블을 정확하게 위치시키고 삽입하거나 제거하는 작업을 수행할 수 있도록 돕는다.

▶위험한 환경에서의 작업
원자력 발전소에서부터 화학 공장에 이르기까지, 촉각 감지 기능을 갖춘 로봇은 위험한 작업을 수행할 수 있으며, 이를 통해 작업자의 안전 위험을 줄일 수 있다.
 

▶ 의료 분야
촉각 센싱 로봇은 병원과 같은 의료 시설 내에서 의약품을 운반함으로써 의료진이 환자를 돌보는 업무에 더욱 집중할 수 있도록 지원할 수 있다.

또한 이러한 로봇은 향후 촉각 피드백을 활용해 전례 없는 수준의 정밀도를 요구하는 수술 작업까지 수행할 수 있게 될 것으로 기대된다.

이를 통해 의료진의 업무 부담을 줄이고 보다 많은 시간을 환자 진료에 할애할 수 있도록 도울 수 있다. 

▶소비자 가전 애플리케이션
보조 로봇은 특히 고령자와 같이 세심한 보살핌이 필요한 사용자를 대상으로 식사 보조, 옷 입기 등 일상적인 활동을 지원할 수 있다.

■ 전문성으로 고객의 요구 해결

물리적 세계와 디지털 세계를 연결하는 것은 ADI의 가장 강력한 핵심 역량이다.

신호 체인에 대한 깊은 전문성은 멀티모달 센서 데이터를 해석하는 데 필수적인 깨끗하고 신뢰성 높은 아날로그-디지털 변환(ADC)을 보장하는 데 도움을 준다.

소형화 기술 역시 ADI의 강점으로, 성능 저하 없이 여러 센싱 모달리티를 통합한 손가락 끝 크기의 모듈을 구현하고 있다.

이러한 하드웨어 기반 위에 구축된 센서는 AI 네이티브(AI-native) 아키텍처를 특징으로 한다.

물리적 상호작용과 복잡한 센싱 모달리티에 대한 깊은 이해를 학습한 사전 학습(pretrained) 모델을 통해 도메인 전문성이 시스템에 직접 내재되어 있다.

또한 ADI는 실시간 미끄러짐 방지와 같은 핵심 기능에 대한 완전한 엔드투엔드 데모를 개발함으로써, 고객이 해당 센서 시스템을 손쉽게 통합하고, 자체적인 정교한 지능형 로봇을 개발할 수 있는 명확하고 실현 가능한 경로를 제공한다.
 

■ 과제와 기회

오늘날 산업계는 기술적 난제를 넘어 보다 광범위한 질문들에 직면해 있다.

현재 휴머노이드 로봇의 손에 대한 보편적인 표준은 존재하지 않는다. 이는 혁신을 촉진하는 측면도 있지만, 다른 한 편으로 상호운용성을 복잡하게 만드는 요인이 되기도 한다.

이동 능력(locomotion)은 대부분 해결된 것으로 평가되지만, 다양한 작업을 수행하기 위한 정교한 손 조작 기술(manipulation)은 완성하기까지 상당한 시간이 필요할 것으로 예상된다.

로봇이 다양한 작업을 자율적으로 수행할 수 있기 전까지는 도입 또한 점진적으로 이루어질 것이다.

이러한 과제에도 불구하고 시장의 모멘텀은 점점 커지고 있다.

업계 선도 기업들은 휴머노이드 로봇 상용화 경쟁에 뛰어들고 있으며, 그 중심에서 로봇 손은 전략적으로 가장 중요한 구성 요소 중 하나로 부상하고 있다.

피지컬 인텔리전스(physical intelligence)를 갖춘 고성능 로봇 손은 차세대 기계를 차별화하는 핵심 요소가 될 것이다.

■ 촉각이 만들어갈 미래

촉각 센서는 단순한 기술적 이정표를 넘어선다.

이는 로봇이 돌봄, 안전, 그리고 정밀함을 통해 인간의 삶을 향상시키는 미래로 향하게 하는 관문이다.

피지컬 인텔리전스는 로봇이 물리적 맥락을 이해하고, 실시간으로 적응하며, 가정·병원·공장·위험 환경에서 신뢰할 수 있는 협업자로 동작할 수 있도록 할 것이다.

이는 보고, 말하고, 만지고, 세상과 상호작용함으로써 인간의 역량을 확장하는 차세대 로보틱스의 기반이 된다. 현재의 연구는 초기 단계의 연구개발에 해당하며, ADI는 기술을 지속적으로 개선하고 검증하는 과정에서 선도 고객들과 긴밀히 협력하며 이를 더욱 발전시켜 나가고 있다.

ADI의 혁신과 최신 발전 상황에 대한 보다 자세한 정보는 ADI 피지컬 인텔리전스 웹사이트에서 확인할 수 있다.

또한 산업용 로봇의 새로운 시대를 더 깊이 살펴보고 싶다면 엔지니어존(EngineerZone)의 블로그 시리즈를 참고할 수 있다.