‘대장’ 뽑아 일사불란… 똘똘 뭉쳐 미션 완료!

벨기에 연구팀, 군집 로봇 개발
최대 250대 한몸처럼 임무 수행
리더 로봇 정해 유기적인 소통
환경 모니터링-운송 등에 활용

자기 조직화 신경 시스템(SoNS) 개념도. 군집 로봇을 이루는 로봇들은 자율적으로 하위 조직을 편성해 계층화된다. 리더 역할은 공동의 목표를 달성하기 위해서 그때그때 바뀔 수 있다. W. Zhu 제공

과학자들이 필요에 따라 자율적으로 하위 조직을 만들고 리더를 정해 문제를 해결하는 군집 로봇을 개발했다. 최대 250대의 로봇이 마치 한몸처럼 다양한 환경에서 단일 미션을 수행하는 동안 유기적으로 필요에 따라 하위 리더를 만드는 시스템이다.

마르코 도리고 벨기에 브뤼셀자유대 인공지능연구소(IRIDIA) 교수팀은 이와 같은 ‘자율적 자기 조직화 군집 로봇’을 개발하고, 그 연구 결과를 14일(현지 시간) 국제학술지 ‘사이언스 로보틱스’에 공개했다.

여러 로봇이 집단으로 협력하는 군집 로봇은 단일 로봇으로는 수행이 어렵거나 시간이 오래 걸리는 복잡한 임무를 효율적으로 수행할 수 있다. 특히 넓은 지역을 감시해 정보를 수집하거나 수색하는 작업에 적합하다. 개별 로봇이 고장나거나 손상돼도 전체 군집 시스템에 큰 영향을 주지 않아 내구성이 높다. 상황에 따라 임무를 재분배할 수 있어 다양한 상황에 유연하게 대응할 수 있는 것도 장점이다.

군집 로봇의 성능을 높이기 위해 로봇 간 체계를 효율적으로 운영하는 방안이 꾸준히 논의돼 왔다. 군집 로봇을 이루는 로봇들의 계층 구조를 미리 정하는 중앙집중식 구조는 설계하기 쉽지만 로봇 수가 늘어나면 중앙 시스템 부하가 커져 확장이 어렵고, 유연성이 떨어진다. 각 로봇이 독립적으로 판단·행동하는 분산식 구조는 확장성이 높고 유연하지만 알고리즘 설계나 전체 시스템 최적화가 까다롭다.

연구팀은 중앙집중식 구조와 분산식 구조의 장점을 결합한 ‘자기 조직화 신경 시스템(SoNS)’을 만들었다. 여러 로봇으로 구성된 SoNS는 먼저 목표를 공유하는 독립 시스템으로 시작된다.

로봇들은 무선으로 양방향 통신해 서로 정보를 공유하며 필요한 경우 ‘임시 리더’를 가진 하위 조직을 형성하고 하위 조직이 달성해야 할 목표를 새롭게 설정한다. 시스템 전체의 목표를 달성하기 위해 자율적으로 조직화하는 것이다. 리더 역할을 하는 로봇은 상황에 따라 바뀔 수 있다.

연구팀은 “SoNS 방식을 활용하면 확장성과 유연성, 내구성 등 군집 로봇의 장점을 포기하지 않고도 의사 결정 등에 필요한 중앙집중식 구조를 적용할 수 있다”고 설명했다.

연구팀은 다양한 시나리오에서 SoNS 방식을 검증했다. 공중을 날아다니는 드론과 지상에서 이동하는 바퀴 달린 로봇을 섞은 실제 군집 로봇에 SoNS 시스템을 적용하고 특정 물체를 찾는 임무를 부여했다. 로봇들은 경로에 있는 장애물을 피하면서 목표물을 찾기 위해 자율적으로 하위 조직을 편성해 성공적으로 임무를 완수했다. 장애물에 부딪치면 임무를 완수하기 위해 리더 역할을 바꾸며 하위 조직을 재편성하기도 했다.

시스템에서 떨어져 나와 ‘실종된’ 로봇을 수색하거나 장애물에 둘러싸인 로봇을 구조하는 시나리오도 같은 방식으로 임무에 성공했다. 임무 중간에 새로운 로봇을 추가하거나 고장 난 리더 로봇을 교체하더라도 시스템에는 전혀 지장이 없었다. 여분의 로봇이 없어도 이미 보유한 로봇만으로 임무를 계속 수행했다.

물리 기반 시뮬레이션을 통해 확인한 결과 SoNS 군집 로봇의 규모를 최대 250대까지 확장할 수 있었다. 군집 로봇을 마치 단일 로봇처럼 프로그래밍할 수 있다는 설명이다.

연구팀은 “SoNS 접근 방식은 군집 로봇 기술을 확장해 새로운 군집 동작을 가능케 한다”며 “군집 로봇이 환경 모니터링이나 건설, 운송 분야에 응용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.