로봇공학자, 로봇도 자연으로부터 얻기만 할 게 아니라 되돌려줘야 한다고 주장하다

Barbara Mazzolai는 처음에는 생물학자로 경력을 시작했습니다. 피사 대학교에서 해양생물학을 공부한 뒤 이탈리아 국립연구위원회(Italian National Research Council)에서 수은 같은 중금속이 물, 토양, 생명체를 거쳐 어떻게 이동하는지를 연구했습니다. 그러다 우연한 기회로 공학 분야에 발을 들였습니다. 한 대학이 환경 모니터링 장치를 설계할 생물학자를 모집하고 있었고, 그는 1999년 이 일을 맡아 바이오로봇공학자 Paolo Dario 밑에서 센서를, 이후에는 대기·수질·토양 모니터링용 로봇을 연구했습니다.

그는 2000년대 중반 Sant'Anna에서 동료들과 함께 첫 생체모방 로봇을 만들었습니다. 문어를 본뜬 소프트 로봇으로, 부드러운 기계도 문어처럼 주변 환경에 강한 힘을 가할 수 있음을 보여주기 위한 것이었습니다. 이후 그는 2011년 로마 토르 베르가타 대학교(Tor Vergata University of Rome)에서 마이크로시스템 공학 박사학위를 마쳤고, 같은 해 이탈리아 기술연구소(Italian Institute of Technology) 마이크로바이오로봇 센터(Center for Micro-BioRobotics)의 소장이 되었습니다. 현재 그는 이 연구소의 로봇공학 부소장을 맡고 있으며 생체모방 소프트 로봇공학 연구실(Bioinspired Soft Robotics Laboratory)을 이끌고 있습니다.

Mazzolai의 연구는 이후 식물 쪽으로 방향을 틀었습니다. 그는 식물이 '무한 생장(indeterminate growth)'이라 불리는 평생에 걸친 과정을 통해 끊임없이 움직인다고 말합니다. 식물은 주변 환경에 맞춰 형태와 행동을 조정하고, 스스로를 복구하며, 감지하고 소통합니다. 다만 그 움직임이 너무 느리거나 너무 빨라서 사람이 쉽게 알아차리지 못할 뿐입니다. 그는 특히 식물 뿌리가 토양을 탐색하는 방식이 얼마나 효율적인지에 주목했습니다. 뿌리는 오직 끝부분(팁)에서만 자라면서 마찰을 줄이고, 더 두꺼운 아랫부분은 그대로 정지해 있습니다. 이는 몸체 전체를 위에서부터 밀어 넣어야 하는 일반적인 드릴보다 훨씬 적은 에너지를 씁니다.

이 원리를 모방하기 위해 그의 연구팀은 소형 3D 프린터를 끝부분에 장착한 로봇을 만들었습니다. 이 프린터는 가열된 열가소성 필라멘트를 공급해 로봇이 이동하는 대로 그 뒤에 뱀 모양의 몸체를 만들어가며, 이를 통해 기계가 뿌리처럼 토양을 뚫고 나아갈 수 있게 합니다. 끝부분의 센서 덕분에 로봇은 장애물을 피하고 근처의 영양분이나 수분을 감지할 수 있습니다. Mazzolai는 생체모방 설계에는 생물학자의 사고방식과 공학자의 사고방식, 두 가지가 동시에 필요하다고 설명합니다. 로봇은 결코 영감을 준 생물의 직접적인 복제물이 될 수 없기 때문입니다. 살아있는 생물은 그대로 재현하기 어려울 뿐 아니라, 애초에 추구하는 목표 자체가 다르기 때문입니다.

다른 연구실들도 식물에서 영감을 얻은 메커니즘을 연구하고 있습니다. 솔방울 비늘이 물을 흡수하고 방출하면서 식물 자체의 에너지를 전혀 쓰지 않고 열리고 닫히는 흡습성 운동, 그리고 덩굴손과 줄기가 더듬으며 뻗어가는 탐색 운동을 포함한 식물 운동 연구는 Springer가 발행하는 학술지의 한 리뷰 논문에 따르면 로봇 팔, 인공 덩굴손, 그리고 건축과 의료 분야에서 쓰이는 자가 적응형 장치 개발로 이어졌습니다.

또 다른 연구 흐름은 생체모방 로봇이 특히 보전(conservation) 작업에 필요하다고 주장합니다. 기존 도구들이 보호하려는 환경을 오히려 훼손하는 경우가 많기 때문입니다. Frontiers in Robotics and AI에 실리고 PubMed Central에도 게재된 한 관점(perspective) 논문은 지난 50년간 생태계 건강이 급격히 악화되어 지구 생물다양성의 거의 70%가 손실된 것으로 추정되며, 여섯 번째 대멸종 가능성을 경고합니다. 오늘날 보전 작업의 상당 부분은 바퀴 달린 차량, 프로펠러로 움직이는 수중 로봇, 멀티로터 드론 같은 기존 로봇을 사용하는 사람들이 주도하고 있습니다. 이런 도구들은 울퉁불퉁한 지형이나 좁은 공간, 수중에서 어려움을 겪고, 소음으로 야생동물을 교란하거나 퇴적물과 서식지를 훼손할 수 있습니다.

저자들은 동물처럼 움직이고 감지하도록 설계된 로봇, 즉 생체모방 로봇공학의 한 하위 분야가 식물과 동물을 교란하지 않으면서 그들에 더 가까이 접근할 수 있고, 동굴 시스템, 해저, 극지방처럼 기존 로봇과 사람이 접근하기 어려운 장소에도 진입할 수 있다고 주장합니다. 이 리뷰에 소개된 사례로는 게를 본떠 만든 수중 로봇이 해저를 걸어 다니며 쓰레기와 퇴적물 샘플을 수집하는 것, 그리고 카메라를 장착한 소프트 로봇 물고기가 3차원으로 헤엄치며 수생 생물을 촬영하는 것이 있습니다. 같은 리뷰는 이러한 접근이 실제 보전 현장에서 널리 쓰이기까지는 협력과 실질적인 개발 작업이 여전히 필요하다고 경고합니다.

Mazzolai의 제안은 로봇이 작동하는 동안 덜 교란적이게 만드는 데서 그치지 않습니다. 그는 로봇의 생애주기 전체, 즉 작동을 멈춘 뒤 어떻게 되는지까지 다시 고려해야 한다고 봅니다. 그는 플라스틱이나 자동차 배터리 같은 기술들이 그것이 환경에 남길 여파에 대한 고민 없이 개발되었다는 점을 지적하며, 로봇공학이 그런 패턴을 반복해서는 안 된다고 주장합니다. 그는 협력 연구자들과 함께 이러한 비전을 '지속가능성 로봇공학(sustainability robotics)'이라 이름 붙여, 지난 7월 Nature Machine Intelligence에 발표한 선언문(manifesto)에 담았습니다.

이 접근법은 세 가지 원칙에 기반합니다. 로봇은 환경에 미치는 영향을 최소화해야 하고, 지역과 소득 수준에 상관없이 사람들이 접근할 수 있어야 하며, 인간과 자연 모두에 이득이 되는 '공생적(symbiotic)' 존재여야 한다는 것입니다. 구체적으로 그는 로봇이 수명을 다했을 때 폐기되는 대신 재사용되거나, 재활용되거나, 생분해될 수 있도록 설계되기를 바랍니다. Mazzolai는 이를 위한 재료와 기술은 이미 존재한다고 말하며, 이 비전이 환경 훼손에 일조하기보다 그에 대응하는 기술을 만들고자 하는 새로운 세대의 로봇공학자들과 공명하고 있다고 설명합니다.