반응 느린 로봇, ′맞춤형 두뇌′로 속도 빠르게

반응 느린 로봇, '맞춤형 두뇌'로 속도 빠르게: 이민지 / 기사승인 : 2021-01-24 04:24:05

대부분의 로봇은 자신이 맡은 일에 최적화된 속도로 업무를 수행한다. 저마다 최적화된 속도는 다르지만, 속도 제어 능력이 있어 원하는 속도로 조절하며 작동할 수 있다. 그러나 단순한 업무 수행과는 달리 사람과의 상호작용 같은 복잡한 상황에서 로봇은 종종 느린 반응을 보인다.

지난 1월 21일, 미국 MIT 연구팀이 이 문제를 해결할 수 있는 “로보모픽 컴퓨팅”을 고안해 냈다고 밝혔다. 로보모픽 컴퓨팅은 특정 컴퓨팅의 요구에 맞도록 로봇의 응답시간을 최소화하는 맞춤형 컴퓨터 칩을 만들어내는 방법이다. MIT에서 박사학위를 취득한 사브리나 뉴먼 박사는 이 방법을 “로봇의 마음과 움직임의 불일치 간격을 좁히는 방법”이라고 소개했다.

연구진은 로보모픽 컴퓨팅을 통해 코로나 19 환자의 최전선 의료 서비스를 포함해 다양한 로봇 애플리케이션을 생성할 수 있다고 말했다. 어쩌면 환자와 병원 근로자의 위험을 줄이는 데 도움이 되는 로보모픽 컴퓨팅이 의료계의 혁신을 불러일으킬 수도 있다는 것이다.

로봇의 속도 개선, 답은 하드웨어 가속
사브리나 뉴먼 박사의 의견에 따르면, 로봇 작동에는 세 가지 주요 단계가 있다. 첫 번째는 지각이다. 센서나 카메라 등을 이용해 데이터를 수집하여 지각이 이루어진다.

두 번째는 매핑 및 현지화이다. 로봇이 지각한 것을 기반으로 주변 지도를 구성한 다음, 그 지도 내에서 자신을 현지화하는 단계이다. 앞 단계를 거친 후 최종적으로 로봇의 동작 과정을 계획한다.

인간의 역동적인 환경에서 안전하게 작동하려면 각 단계가 최대한의 속도로 수행되어야 하지만, 현재 로봇의 CPU 하드웨어로는 충분히 빠르게 실행할 수 없다. 로봇의 두뇌 역할을 하는 CPU가 인간에게서 얻은 인식으로는 아직 빠르게 생각하고 반응하지 못한다는 것이다.

복잡하고 역동적인 상황에서 로봇의 속도를 높이려면 우선 CPU 처리 속도를 빠르게 해야 한다. MIT 연구팀은 더 나은 알고리즘을 조사하고 있지만, 소프트웨어 개선만으로는 속도를 높이는 데에 한계가 있다고 밝혔다. 이것이 하드웨어 가속을 돕는 로보모픽 컴퓨팅을 개발한 이유이다.

[로보모픽 컴퓨팅 연구 논문 초록]

하드웨어 가속을 돕는 로보모픽 컴퓨팅
로보모픽 컴퓨팅은 특정 로봇의 컴퓨팅 요구에 가장 적합한 맞춤형 하드웨어를 설계한다. 우선 사용자가 로봇의 팔, 다리는 어떻게 움직이는지, 관절은 어떻게 사용할 것인지와 같은 매개변수를 입력하면 이 매개변수가 수학적 행렬로 변환된다. 그런 다음 행렬에서 0이 아닌 값에 대해서만 계산을 실행하도록 전문화된 하드웨어 아키텍처를 설계한다. 이 모든 과정을 거치고 나면 결과적으로 특정 로봇의 컴퓨팅 요구에 대한 효율성을 극대화하는 칩이 생성된다.

이 방법을 사용하여 설계된 하드웨어 아키텍처는 기존의 하드웨어 가속을 담당하던 그래픽 처리 장치(GPU)의 장치를 뛰어넘는 속도를 가진다. 이 칩은 기존 CPU보다 8배, GPU보다 86배 더 빠른 속도를 낼 수 있다. 처음부터 칩을 제작하지 않고 특정 애플리케이션의 요구에 따라 맞춤형 FPGA 칩을 프로그래밍하였다.

일반적으로 로봇의 CPU는 주문형 반도체(ASIC)를 사용한다. 특정 응용 분야나 특수 기능에 초점을 두어 만들어진 집적회로인데, 따라서 로봇이 수행하는 특정 기능이 아니면 인식에 대한 반응이 느릴 수밖에 없다.

이와 달리 FPGA 칩은 용도에 따라 직접 프로그래밍할 수 있기 때문에 특정 애플리케이션의 요구에 맞게 프로그래밍 할 수 있다. 로보모픽 컴퓨팅은 FPGA 칩을 사용하여 각 애플리케이션에 맞게 프로그래밍한 것이라고 볼 수 있다.

로보모픽 컴퓨팅의 끝없는 잠재력
로봇 공학 박사과정을 공부하는 브라이언 플래처는 “이상적으로 모든 로봇을 위한 맞춤형 모션 플래닝 칩을 제작하여 안전하고 효율적인 모션을 신속하게 계산할 수 있다”라며 로보모픽 컴퓨팅의 잠재력을 높게 평가했다.

이에, 뉴먼 박사는 로봇이 코로나 19 환자를 돌보는 것과 같은 복잡한 환경 속에서 인간의 위험을 완화할 수 있다고 덧붙였다. 뉴먼 박사는 다음으로 사용자가 로봇의 매개변수만 입력하면 하드웨어 설명을 자동으로 생성하는 “로보모픽 컴퓨팅 자동화”를 진행할 계획이라고 밝혔다.

로보모픽 컴퓨팅에 관한 연구는 이번 4월 ASPLOS 컨퍼런스에서 더 자세하게 발표될 예정이다. 전 세계적인 컨퍼런스에서 발표를 한 후에는 로보모틱 컴퓨팅이 로봇 공학의 혁신을 일으켜 가까운 미래에 인간의 삶을 돕는 로봇들이 일상생활에 많이 보이는 것을 상상할 수 있다.