포스테키안

2020 여름호 / 포스텍 연구소 탐방기

2020-07-27 554

포스텍 연구소 탐방기 / 로봇의 미래를 설계하는 지능로봇연구센터

 

포스텍 지능로봇연구센터는 ‘지능 로봇 기술 선점 및 지능 로봇 관련 사업화 촉진, 지능 제어/로봇 분야에서 세계적으로 우수한 센터를 지향’이라는 목표를 가지고, 1986년 포스텍의 탄생과 함께 대학의 전폭적인 지원을 받으며 시작되었다. 2004년 지능로봇연구센터를 중심으로 정부의 지자체 연구소 육성 사업의 일환으로 포항지능로봇연구소(PIRO)를 유치하였는데, 이후 현재의 한국로봇융합연구원(KIRO)으로 승격되어 활발한 로봇 연구가 진행되고 있다. 지능로봇연구센터는 로봇 연구의 구심점 역할을 하면서 KIRO, POSCO, RIST와의 산학연 관계를 긴밀히 구축하고 있으며, 이는 한국에서 로봇 연구 인력 규모가 가장 큰 연구 조직이다. 현재 지능로봇연구센터는 포스텍의 다양한 학과에 소속된 15명의 교수진에 의해 운영되고 있다.

지능로봇연구센터는 1989년 국내 최초의 7자유도 직접 구동 로봇 개발을 시작으로, 최근 코로나 사태를 위한 방역 로봇, POSCO 현장의 자동화를 위한 산업 로봇, 수술 로봇, 해저 로봇 등의 폭넓고 깊은 연구를 진행하고 있다. 이 중 최근 진행되고 있는 지능 로봇 연구 몇 가지를 소개하면 다음과 같다.

 

인공지능 자율 이동형 방역 로봇, PRA-UVC
최근 전 세계를 강타하고 있는 COVID-19 사태로 인해 일상생활에서의 위험이 증대됨에 따라, 로봇기술의 필요성이 강조되고 있다. 이에 따라 지능로봇연구센터에서는 원자력 발전소나 해저, 우주 등과 같이 극한 환경에서 활용되던 종래의 로봇 기술을 응용, 최근 COVID-19 사태 해결을 위한 방역 로봇을 한국로봇융합연구원(KIRO)과 협력하여 개발하였다. 최근 급속도로 발전한 인공지능 기술을 바탕으로 로봇 팔로 하여금 다양한 작업을 수행하게 하는 로봇 매니퓰레이션 기술은 방역 로봇과 같이 사람에게 위험한 작업을 대신할 뿐만 아니라, 제조업, 농업, 심지어는 요식업과 같은 산업 각종 분야에 투입되어 활용될 수 있어 4차 산업 혁명을 이끌어갈 차세대 기술로 손꼽히고 있다. 지능로봇연구센터에서는 이러한 로봇 매니퓰레이션 기술이 마치 스마트폰과 같이 일반 사용자들에게도 쉽게 활용될 수 있도록 협동 로봇 연구를 활발히 수행하고 있으며, 가까운 미래에 우리 일상의 모습을 변화시킬 핵심 기술이 될 것을 기대하고 있다.

 

근전도 신호를 이용한 외골격 로봇
최근 눈부신 로봇 기술의 발전에 힘입어 아이언맨처럼 사람의 능력을 증대시키는 외골격형 로봇에 관한 관심 및 연구가 지속적으로 증가하고 있다. 외골격형 로봇은 사용자와 결합되어 작동하기 때문에 편의성뿐만 아니라 안전 또한 매우 중요하다. 이는 사람과 로봇이 결합되어 있어서 사람이 원하는 대로 정확하게 로봇을 움직여야 하기 때문이다. 그래서 사용자의 의도 파악이 필수적이며, 대표적으로 근전도가 많이 이용된다. 근전도는 근육이 활성화될 때 발생하는 신호로, 사용자의 움직임에 관한 신호를 담고 있어 활발한 연구가 이루어지고 있다. 하지만 근전도는 사람마다 그 특성이 다르게 나타날 뿐만 아니라 신호의 불확실성이 매우 커 동작 의도를 해석하기가 매우 힘들다. 이를 해결하기 위해 사전 지식 없이도 근전도에서 특정 패턴을 파악하는 알고리즘을 개발하였으며, 이렇게 얻어진 패턴이 실제 움직임과도 관련되어있음을 확인하였다. 또한 관절에 존재하는 길항 관계의 근육에서 근전도를 각각 얻고, 이를 통해 강성을 파악하여 로봇이 사람의 동작을 잘 모방하도록 제어하는 연구도 수행하였다. 이러한 기술을 통합하여 외골격형 로봇이 사용자의 의도를 정확하게 반영하도록 제어하는 것이 목표이다.

 

초미세 각막 이식 수술 로봇
각막 이식 수술은 혼탁한 각막을 새 각막으로 교체하여, 시력을 잃은 환자가 다시 앞을 볼 수 있게 해주는 안과 수술이다. 각막 이식 수술의 각막 기증 대기자는 매년 1,500명을 넘어가지만, 재수술이 필요한 환자의 비율이 약 15%로 높아 매년 대기자가 증가하는 추세이다. 이처럼 각막 이식 수술의 재수술 비율이 높은 이유는 바로 각막 이식 수술의 높은 난도 때문이다. 각막은 두께가 샤프심의 지름과 비슷한 약 550um로 굉장히 얇은데, 각막 이식 수술에서는 각막 두께의 90% 지점을 정확히 관통하도록 총 16개의 봉합을 균일하게 형성하는 고난도의 수술 과정이 필요하다. 이와 같은 각막 이식 수술의 어려움을 낮추기 위해 각막 이식 수술 로봇이 개발되고 있다. 각막 수술 로봇은 시뮬레이션을 통해 미리 계산된 결과에 따라 각막을 조작하여 형상을 변형시키고, 변형된 각막에 바늘을 삽입함으로써 봉합을 생성한다. 이렇게 생성된 봉합은 그 모양을 원하는 대로 조절할 수 있으며, 숙련된 의사보다 더 균일하고 정확하게 생성될 수 있다. 또한 봉합 전 각막 절개 과정에서 각막 생체 이미지의 인공지능 Segmentation 및 로봇 제어 기술을 사용함으로써, 각막의 위쪽 90% 부분만을 절개하는 초고난도 수술 기법인 DALK(Deep Anterior Lamellar Keratoplasty)를 기존의 성공률보다 월등히 향상된 90% 이상의 성공률로 실시할 수 있다.

 

인공지능 세포 분리 시스템
세포 분리(Cell sorting)란 세포 군집에서 특정 세포군만 분리해 내는 것을 말한다. 세포들은 세포 크기, 형태, 세포 표지자에 따라 분리되고, 분리된 세포는 세포 생물학과 임상 분석 분야에 널리 사용된다. 현재 가장 널리 이용되고 있는 세포 분리 기술은 FACS(Fluorescent Activated)로, 이 기술로 고속으로 흐르는 유체 상에 존재하는 세포가 레이저를 맞고 빛이 산란될 때, 정면(Forward scatter)과 측면(Side scatter)에서 신호를 수집 및 분석하여 각 세포의 크기 형태 및 특정 항원의 존재 여부를 파악할 수 있다. 하지만 FACS로는 레이저를 기초로 한 1차원의 형광 신호의 세기 정보만 얻을 수 있기 때문에, 세포 이하 국소화(Subcellular localization)와 같이 공간 정보가 있어야 하는 연구는 불가능하다. FACS의 단점을 해결하고자, 최근 들어 1차원의 형광 신호가 아닌 2차원의 세포 이미지를 이용해 세포를 분석하는 IFC(Imaging Flow Cytometry)가 개발되었다. 특히 초당 수천 장 이상 생성되는 세포 이미지를 딥러닝 네트워크를 이용하여 학습하면 세포의 종류 및 숨겨진 특징을 쉽게 알 수 있기 때문에, 딥러닝 기술을 접목한 IFC 연구가 활발히 이뤄지고 있다. 포스텍 지능로봇연구센터에서는 딥러닝 기술을 이용하여 세포를 실시간으로 분석 및 분리하는 인공지능 세포 분리기를 개발하고 있다. 이러한 기술은 좀 더 정밀한 세포 분석 및 분리를 가능케 하여 CTCs(Circulating tumor cells)와 같은 희귀 세포 분리(Rare cell isolation) 및 분자 생물학, 면역학, 병리학 등 수많은 분야에 도움을 줄 것으로 기대된다.

이외에도 전자전기공학과, 컴퓨터공학과, 창의IT융합공학과의 약 15명의 참여 교수들은 컴퓨터 비전, 햅틱, 드론, 바이오이미징 등의 연구를 수행하고 있는데 이 연구 결과는 앞의 센터 홈페이지에서 찾아볼 수 있다.

[ 포스텍 지능로봇연구센터 ]
– 홈페이지 http://cir.postech.ac.kr
– 연락처 054 279 0473

 

센터장 / 기계공학과 교수 정완균