열두번째 이야기. 휴머노이드 - (뉴로모픽)반도체가 만드는 세상

news.skhynix.co.kr/2331

[반도체가 만드는 세상] 인간과 똑같은 인공지능 로봇 ‘휴머노이드(Humanoid)’

이번 글은 반도체에 대해서 서치해보다가 너무 글을 잘 써주셔서 이에 대해 다뤄보고 싶어서 쓰게 되었다.

반도체에 대한 글들은 확실히 SK하이닉스나 삼성의 뉴스룸에서 전문적으로 잘 다뤄주는 듯하다.

---

휴머노이드란?

국내 최초의 휴머노이드 로봇 휴보 출처 : KAIST

사람을 의미하는 "Human"과 -같은 것이라는 의미의 접미사 "-oid"의 합성어로, 사람 같은 로봇을 말한다.

현재 휴머노이드 로봇의 궁극적인 목표는 인간의 지능, 행동, 감각, 상호작용 등을 모방아혀 인간을 대신하거나 인간과 협력하여 다양한 서비스를 제공하는 것이다.

 

두 발로 걷는 최초의 휴머노이드 로봇은 1973년 일본 와세다대학교 가토 이치로 교수팀이 개발한 와봇 1(WABOT-1)이다.

하지만, 겨우 몇 걸음을 움직이는 수준에 그쳤고 미리 입력된 간단한 질문에만 답하는 수준이었다.

 

그렇다면 현재는 어떠할까?

이족보행은 물론, 로봇이 알아서 장애물을 피해 움직이거나 달리는 수준까지 발전했다.

미국 보스턴 다이내믹스(Boston Dynamics)가 개발한 아틀라스(Atlas)는 파쿠르에 공중제비까지 가능하다.

 

인간의 행동 뿐만 아니라, 인간과의 상호작용 측면에서도 기능이 향상되고 있다.

일본 소프트뱅크의 페퍼(Pepper), 홍콩 핸슨 로보틱스의 소피아(Sophia)는 카메라와 오디오 인식 프로그램을 이용해, 대화 상대의 표정과 음성을 인식하고 AI 알고리즘으로 이를 분석한 것을 바탕으로, 인간과 자연스럽게 대화할 수 있고 몇 가지 감정을 표현할 수도 있다.

 

휴머노이드 시장 전망

출처 : MT 리포트

미국의 시장조사업체 트랙티카에 따르면 글로벌 로봇산업 규모는 2022년 2370억달러(약 250조원)로 2016년(310억달러)보다 8배 가까이 성장할 것으로 전망된다고 밝혔다.

 

휴머노이드 시장으로 좁혀서 보자.

시장조사기관 '리포트앤리포트'에서는 휴머노이드 시장이 2023년에 39억 달러 규모로 성장할 전망이라고 보고 있다.

시장조사기관 '모도 인텔리전스'도 2024년에 약 33억 달러로 커질 것으로 보고 있다. 

 

실제로 최근에는 서빙하는 로봇, 커피내리는 로봇 등 기술이 고도화되고 다양한 분야에서 활용까지 되고 있기 때문에 로봇 시장은 확실하게 성장할 것으로 보인다.

휴머노이드 로봇은 재난대응 로봇, 우주비행사 로봇 등과 같이 극한의 환경에 투입될 수 있을 것이라는 기대를 받고 있기 때문에 로봇의 시장이 넓어지는 것과 더불어 그 시장이 함께 커지지 않을까 싶다.

 

미래형 휴머노이드의 외형

휴머노이드 상용화를 위해서는 필요한 성능을 갖추는 것도 중요하지만 사람들이 일상에서 접할 때 느끼게 될 위화감을 줄이는 노력도 중요하다. 하지만 현재 공개된 대부분의 휴머노이드들은 금속으로 만든 뼈대 자체가 그대로 노출되는 형태로 ‘사람’이라기보다는 ‘로봇’이라는 느낌이 강하다. 성능이 완성되지 않은 만큼, 외형보다는 기능 자체를 구현하는 데 더 집중해온 것.

로봇을 사람과 비슷한 외형으로 구현하기 위해서는 "전자피부"가 필수적이다.

색상과 형태, 그리고 촉감까지 모든 면에서 사람의 피부를 모방해야 하기 때문에 로봇 분야보다는 의료 분야를 위해 연구개발이 진행되는 경우가 많았다.

 

전자피부가 개발되기 시작한 때는 2004년로, 미국과 일본에서 본격적인 연구가 시작됐는데 당시 연구자들은 실리콘에 주목했다.

실리콘에 센서를 집어넣은 뒤 인체에 부착하려는 노력을 기울였으나, 생각한 것처럼 휘어지지 않아 사람 피부처럼 유연성을 재현하지는 못했다.

 

이 문제를 해결하게 된 것이 바로 탄소화합물이 첨가된 유기재료다.

특히 그래핀은 열전도율이 매우 높고 전자 이동성이 뛰어나면서도 투명하고 신축성이 뛰어나면서 실제 피부만큼 유연하여 전자피부의 재료로 가장 적합하다고 평가받고 있다.

그래서 이와 관련된 연구들이 계속 이어졌고 최근 3-4년간 가장 활발하게 이루어졌다.

지난 2017년 영국 글래스고 대학교(University of Glasgow) 공과대 연구팀은 태양에너지와 그래핀을 활용해, 겉 표면은 부드러우면서도 내장된 전자 칩을 통해 외부 자극을 감지할 수 있는 전자피부를 공개했다. 연구팀은 피부 촉각 수용체와 유사한 센서를 만들어 전자피부에 이식한 뒤, 태양에너지를 흡수해 전기에너지로 전환하는 작동방식을 구현하여 실제 피부처럼 탄력을 유지할 수 있게끔 만들었다. 이렇게 만들어진 피부로 인공 손 '스마트 핸드'를 완성할 수 있었다. (=> 감촉을 느낄 수 있고 탄력을 유지할 수 있음)

 

이듬해인 2018년에는 미국 콜로라도 대학교(University of Colorado)의 지엔량 샤오 교수 연구팀과 웨이 장 교수 연구팀이 손상이 발생해도 자가 회복이 가능한 전자피부를 공개했다. 연구팀은 탄소와 질소의 이중결합을 반복해 만들어서 흠집이 나도 쉽게 회복되는 고분자 화합물인 ‘폴리이민(Polyimine)’을 주재료로 전자피부를 만들었다. 또한, 안정성과 강도를 위해 은 나노 입자도 첨가했다.

 

2019년 2월에는 미국 코네티컷 대학교(University of Connecticut)와 캐나다 토론토 대학교(University of Toronto) 공동연구팀이 실제 피부에서 느끼는 것 이상의 감각을 느낄 수 있는 전자피부를 개발했다. 연구팀은 실리콘 튜브를 구리 선으로 감싸고 nm(나노미터) 크기의 산화철 입자 유체를 튜브에 채워, 주변의 전기 신호를 통해 환경 변화를 감지할 수 있도록 했다. 또한, 자기장과 음파를 감지해 특수한 목적으로도 활용할 수 있도록 했다.

 

고무줄처럼 늘었다 줄었다 할 수 있는 전자 피부도 등장했다. 미국 미네소타 대학교(University of Minnesota) 연구팀이 발표한 ‘스트레쳐블 스킨(Stretchable skin)’이다. 또 2019년 싱가포르 국립대학교에서 개발한 전자 피부 ‘ACES(Asynchronous Coded Electronic Skin)’는 사람보다 1,000배 더 빠르게 대상을 감지할 수 있었다. 실제 속도를 측정한 결과 사람이 눈을 깜빡이는 속도보다 10배 빠른 10밀리초(millisecond, ms) 내에 물체의 강도, 질감, 모양 등을 정확히 식별했다. 이런 기술이 가능해진 이유는 사람의 신경 역할과 같은 센서 덕분이다. 연구팀이 기능을 확장하기 위해 센서 수를 1만 개까지 늘리는 데 성공했기 때문이다.

 

전자 피부는 한국 과학자들이 많이 활약하는 분야이기도 하다.

2018년 2월, ETRI는 그래핀 복합소재 기반 직물형 센서 개발을 한 데 이어 같은 해 8월에는 센서를 고무형으로 만드는 데 성공했다. 수천 번 구부리거나 늘려도 높은 재현성을 갖고 기존 센서 대비 10배 이상 높은 민감도를 지닌 고무형 압력 변형(Strain) 복합센서를 개발한 것이다. 

 

장재은 DGIST 정보통신융합전공 교수팀은 지난해 7월 DGIST 뇌·인지과학전공 문제일 교수팀, 정보통신융합전공 최지웅 교수팀, 로봇공학전공 최홍수 교수팀과의 공동 연구를 통해 사람처럼 고통과 온도를 느낄 수 있는 촉각 센서를 개발했다. 특히 고통을 느끼는 센서를 개발한 것은 휴머노이드 개발에 있어 걸림돌이자 위험요소인 로봇의 공격성을 제어할 수 있는 수단을 확보한 것으로 큰 의미를 가진다.

 

촉각의 고통 신호 생성을 모방한 인공센서 및 신호처리 기반 인공 고통 신호 생성 모식도(이미지 출처: DGIST)

<기존의 전자피부가 외부 요인을 인지할 수 있었던 원리>

인간을 포함한 포유류 피부에 존재하는 메르켈 세포 안의 피에조2 단백질은 대표적인 생체이온이 이동하는 채널로, 평상시에는 닫혀 있지만 기계적인 자극이 발생하면 ‘점-유탄성’ 원리에 의해 열리게 돼 이온이 이동한다. 이런 이동의 흐름은 전기적인 신호를 발생시켜 뇌에 전달돼 외부 압력을 인지하게 된다. 점-유탄성이란 탄성과 점성을 동시에 갖고 있는 고체 안에 유체가 점성을 갖고 흐르는 성질을 말한다.

전자피부에서는 이를 모사해 기계적인 자극이 발생하면 폴리우레탄 고분자의 변형에 의한 ‘점-유탄성’ 원리로 이온성 액체가 이동해 전기적 신호의 변화를 유도해 외부 압력을 인지하는 원리다.

출처 : 테크월드뉴스(http://www.epnc.co.kr)

 

 

김도환 교수팀은 사람의 

김도환 한양대학교 화학공학과 교수팀은 같은 해 9월 사람의 촉각세포를 모방해 미세한 압력변화를 감지할 수 있는 전자피부 소재를 개발했다. 기존 감지 방식은 물리적 자극을 받으면 소재 형태가 바뀌면서 나타나는 전기적 신호 변화를 감지하는 방식으로 센서의 민감도가 떨어졌다. 김 교수팀은 사람의 피부를 구성하는 촉각세포의 세포막 구조와 외부 자극에 따라 나타나는 생체이온의 신호 전달 메커니즘을 모방한 인공 촉각 세포를 개발해, 민감도가 매우 높은 전자피부를 개발했다.

생체 촉각세포를 모방한 인공 촉각세포(출처 : https://www.sedaily.com/NewsVIew/1YXKGQW6XX)

더 나아가, 2020년 김도환 한양대 화학공학과 교수는 세계 최초로 소리부터 혈압, 촉감, 물체 하중까지 구별하는 전자피부를 개발했다. 또, 지난 2월, 한국전자통신연구원(ETRI) 실감소자원천연구본부, 서울대학교 전자컴퓨터공학부, 소프트로보틱스연구센터(SRRC) 공동연구팀은 미세한 압력변화를 감지해 압력을 가한 물체의 3차원 표면정보까지 파악할 수 있는 초고감도 투명압력센서를 개발했다. 지난 5월에는 박형순·김택수 한국과학기술원(KAIST) 교수 연구팀이 사람 손바닥 피부의 특성을 모방해 아주 미세한 움직임까지 정교하게 조작이 가능한 전자피부를 개발하는 성과를 거뒀다. 이 밖에 경희대에서는 상처를 치료하고 노약자의 피부를 보호할 수 있는 '슈퍼 피부'를 개발하였고 DGIST에서는 스스로 고통과 온도를 느낄 수 있는 지능형 전자피부를 선보이는 등 전자피부 개발을 주도하고 있다.

 

기술이 진보하면서 인간은 점차 전자 장치를 삽입하거나 착용하고 반대로 로봇은 인간을 닮아가는 아이러니를 느낄 수 있다. 나무로 만들어진 피노키오가 진짜 아이가 되고 싶었던 꿈을 전자피부 기술이 이뤄줄 수 있지 않을까 상상해본다.

출처 : www.etri.re.kr/webzine/20200814/sub01.html

 

사실 전자피부 분야 자체는 최근에서야 의미있는 연구성과가 나타나고 있어서 기업이 바로 상용화하기에는 아직은 시간이 조금 더 필요하다.

하지만, 현재 나오고 있는 연구 결과와 그 활용도를 볼 때, 전자피부 시장은 분명히 성장 가능성이 큰 시장이다.

휴머노이드 구축을 위한 시각에서 벗어나 전자피부를 바라보면, 의료분야와 재활치료 분야에서 혁명을 가져올 것이 분명하다.

(영국 워릭대학교 WMG(Warwick Manufacturing Group)에서는 병원에 가지 않고 가정에서 수행할 수 있는 물리치료 과정에 전자 피부를 이용하고 있다고 한다)

 

미래형 휴머노이드의 뇌

사람의 핵심이 심장과 머리인 것처럼 휴머노이드의 핵심도 아마 뇌가 아닐까 싶다.

그럼 휴머노이드의 뇌는 어떻게 작동해야할까?

사람 같은 로봇이니까 사람의 뇌처럼 작동해야할 것이고 사람처럼 인지하고 사고하고 판단해야할 것이다.

우리는 이미 그렇게 수행할 수 있는 인공지능이라는 기술을 알고 있다.

또, 이전 글을 통해 인공지능 구현을 위한 ai 반도체와 뉴로모픽 반도체에 대해서도 확인했다.

그래서 이 파트는 간단히 사진과 글만 첨부하고 넘어가도록 하겠다.

2020/12/02 - [이슈 분석하기] - 열한번째 이야기. 시스템 반도체? AI 반도체? 뉴로모픽 반도체? (2/2)

열한번째 이야기. 시스템 반도체? AI 반도체? 뉴로모픽 반도체? (2/2)

폰 노이만 방식에 대해서는 다루지 않았지만, 결국 기존의 반도체의 연산처리방식이라고 생각하면 된다.

CPU, 메모리, 프로그램 세 가지가 각각 구현되고 서로 정보를 주고 받으면서 연산을 처리하기 때문에 어느 하나가 잘못되면 전체에 영향을 끼치게 된다.

이를 병목현상이라고 하고, 병목현상을 없애기 위해 뉴로모픽 방식이 나타났다.

 

코어 내 일부 소자는 뇌의 신경세포인 뉴런의 역할을 담당하고 메모리 칩은 뉴런과 뉴런 사이를 이어주는 시냅스 기능을 담당하는데, 이를 사람의 뇌처럼 병렬로 구성하면 훨씬 적은 전력으로도 더 많은 양의 데이터를 처리할 수 있다. 또한, 사람 뇌처럼 학습하고 연산할 수 있어 복잡한 계산이나 추론도 효율적으로 처리할 수 있다. 스스로 학습능력을 갖추고 사고를 할 수 있는 진정한 의미의 인공지능 구현에 한 걸음 더 가까워지는 셈. 

출처 : sk하이닉스 뉴스룸

 

아래는 뉴로모픽 반도체를 만들고 있는 글로벌 IT 기업들의 예시다.

IBM
2008	시냅스 프로젝트 참여
2014	'트루노스(TrueNorth)' 뉴로모픽 반도체 완성 (4096개의 뉴로 시냅틱 코어로 구성 -> 100만 개의 인공 뉴런과 2억 5000만 개의 인공 시냅스)

인텔	뉴로모픽 반도체 개발 분야에서 가장 앞서 있는 기업으로 꼽힘
2019	뉴로모픽 반도체 '로이치(LOIHI)' 자체개발 (13만 개의 인공 뉴런 -> 전통방식 대비 처리속도 1000배 빠르고 작업 효율 최대 1만 배 향상)
2020.03	로이히 기반의 최신 뉴로모픽 컴퓨팅 시스템 '포호이키 스프링스(Pohoiki Springs)' 공개 ( 로이히 칩 768개 -> 작은 포유류의 뇌 수준인 약 1억개의 뉴런 갖춤)
	미국 코넬 대학교(Cornell University) 연구팀과 함께 동물의 후각 체계를 구현한 수학 알고리즘을 개발해, 자체 컴퓨팅 시스템을 구축
2020.07	싱가포르 국립대학교(National University of Singapore) 연구팀과 함께 뉴로모픽 컴퓨팅 방식으로 시각과 촉각 기능을 구현

=> 오감 구현까지 연구하고 있음

 

미래형 휴머노이드의 저장장치

사실 뇌에서 해야할 일이 하나 더 있다. 바로 정보를 저장하는 것이다.

우리가 삶을 살아갈 때 저장이 필요한 데이터의 양을 추정하는 것은 어렵다.

또, 인공지능 기술이 일반적으로 대량의 데이터 학습을 토대로 한다는 것을 고려한다면, 휴머노이드를 만들기 위해서는 방대한 양을 저장할 수 있는 메모리가 필요하다는 것을 쉽게 생각해낼 수 있다.

물론, 휴머노이드를 구동시킬 때, 현재의 메모리를 이용한다면 동작하지 않을 것이다.

(필요한 데이터를 다 담아내지 못할 것)

 

DNA 메모리

방대한 양의 데이터를 저장하기 위해서 전문가들은 예전부터 DNA에 대해 관심을 가져왔다.

그 이유는 간단하다.

DNA가 지상에 존재하는 그 어떤 물질보다 높은 데이터 저장 밀도를 갖고 있기 때문이다.

이론적으로는 DNA 1제곱미리미터당 약 10억 기가바이트의 데이터를 저장할 수 있다.

게다가 DNA는 저장기간 또한 반영구적이다.

 

DNA 메모리 구현의 핵심은 기존 0과 1로 이뤄진 이진법에 기반한 데이터를 아데닌(Adenine, 이하 A), 구아닌(Guanine, 이하 G), 시토신(Cytosine, 이하 C), 티민(Thymine, 이하 T) 등 DNA의 네 가지 염기서열로 변환해 저장하는 기술이다.

네 종류의 염기서열 중 A는 T와, G는 C와 각각 상보적으로 결합하는 구조를 가지므로 A와 T의 결합은 0으로, C와 G의 결합은 1로 설정해 0과 1의 디지털 정보를 DNA 염기 서열로 인코딩한다. 이렇게 인코딩된 DNA 염기 서열은 기계에서 DNA 합성을 통해 인위적으로 만들 수 있고, 캡슐화(Encapsulation)해 저장할 수 있다. 데이터를 읽는 과정은 이와 반대 과정을 통해 이뤄진다. 먼저 캡슐을 제거(DNA release)하고 DNA 해독 장치로 DNA 염기 서열을 읽는다(Sequencing). 이렇게 읽은 염기 서열을 다시 0과 1로 번역하면 원래의 데이터와 동일하게 데이터를 복원할 수 있다.

출처 : SK 하이닉스 뉴스룸

 

위의 DNA 성질을 이용해 메모리를 저장하고자 하는 노력은 결국 DNA 메모리 구현을 가져왔다.

news.unn.net/news/articleView.html?idxno=235828

고려대, DNA 메모리 시대 열린다 - 한국대학신문 - 409개 대학을 연결하는 '힘'

해당 연구에서는 DNA를 효율적으로 합성해 데이터 저장에 응용하기 위해 우리 몸의 세포가 DNA를 합성하는 방법을 따랐다.
이 같은 방법은 수용액 상태에서 DNA 합성이 가능해져 환경오염 문제를 해결했으며, 빛을 이용해 DNA가 합성되는 각 부분에서의 효소 활성도를 제어함으로써 DNA 합성의 병렬처리가 가능해져 DNA 메모리 (NAM, nucleic acid memory)의 대량생산을 가능하게 했다.

천 교수는 “독성이 강한 기존의 화학적 DNA 합성 방법과 달리, 생물의 DNA 합성효소를 이용해 친환경적인 데다 한 번에 여러 줄씩 한꺼번에 합성할 수 있어 생산이 훨씬 빠르고 싸질 것”이라고 말했다.

 

www.hankyung.com/it/article/202011150670i

DNA메모리 시대 열리나…MS·일루미나·트위스트 등 로드맵 개발 맞손

DNA 메모리구현을 위해 세계적인 기업들이 서로 손을 잡는 모습도 확인할 수 있다.

마이크로소프트와 트위스트바이오사이언스, 일루미나, 웨스턴디지털은 11월 12일 '2020 플래시메모리서밋'을 통해 DNA 저장장치 개발을 위해 비용 효과적인 상업용 저장장치를 만들 수 있도록 로드맵을 구축하는 것을 목표로 삼고 제휴하기로 했다고 한다.

마이크로소프트는 워싱턴대와의 협력연구를 통해 DNA의 데이터를 저장하고 검색하는 자동화 시스템을 구현했고 트위스트바이오의 DNA 기록 기술을 활용해 1GB의 데이터만 따로 복구하는 데에도 성공했다.

(일루미나 : 세계 1위 유전체 기업 / 웨스턴디지털 : 스토리지 솔루션 기업 /

트위스트바이오사이언스 :  DNA 메모리 개발 선두 기업으로 꼽힘)

 

위의 내용들을 살펴본다면 DNA 저장장치 이용까지 그리 오래 걸리지 않을 것이라 예상할 수 있다.

실제로 미국 시장조사업체 가트너에서는 2024년께 디지털 기업의 30% 정도가 DNA 저장장치를 활용할 것으로 내다봤다.

---

정보 전달에 초점을 맞추고 글을 쓰다보니 끝이 허무하게 끝난 것 같다.

다양한 기술들의 모든 원리를 알아보기는 어려워서 조금 아쉽기도 하다.

 

기술들만 살펴보다보니 만약 휴머노이드를 만들기 위해서 필요한 기술들을 다 개발하게 된다면, 인류의 삶은 이미 휴머노이드 없이도 충분히 편안한 삶을 영위하고 있을 수도 있겠다는 생각도 들었다.

아마 그래서 휴머노이드 기술이 일반적으로 연구용 또는 기술과시용으로 사용되어 왔을 것 같다.

 

여기서는 다루지 않았지만, 인공근육과 관련한 영상을 최근에 봤는데 휴머노이드와도 연결지을 수 있을 것 같다.

해당 영상의 링크는 UD LAB으로부터 얻었다.

www.tiktok.com/@davidzindustries/video/6899526577130949893

Share it with your engineer friend😱 @artimusrobotics #engineering #robotics #softrobotics #science #learnontiktok

공기를 압축하는 방식이 아니라 이온의 이동을 제어하는 방식이기 때문에 보다 가볍고 전력소모도 적으며 가능한 활동의 범주가 넓은 것으로 보인다.

더 자세한 내용은 아래 링크를 통해 볼 수 있다.

newsteacher.chosun.com/site/data/html_dir/2018/01/16/2018011600388.html

[재미있는 과학] 전류·압력으로 조절하는 인공 근육… 진짜 사람 같은 로봇 만들죠

 

 

 

참고한 사이트

news.mt.co.kr/mtview.php?no=2018062415435665877

[MT리포트] 로봇과 취업 경쟁?…로봇, 어디까지 진화했나 - 머니투데이

news.samsungdisplay.com/22430

웨어러블 기기 혁신을 불러온다! 피부처럼 늘었다 줄었다 가능한 '전자피부' | 삼성디스플레이

www.etri.re.kr/webzine/20200814/sub01.html

사람처럼 유연한 전자 피부 개발, 어디까지 왔을까?

www.sedaily.com/NewsVIew/1YXKGQW6XX

[사이언스]사람처럼 자극 감지 '전자 피부'…웨어러블 혁신에 기여