서울대학교 그랜드퀘스트

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로봇이 공장을 넘어 인간의 일상 공간으로 들어오면서, 로봇 기술은 새로운 전환점을 맞이하고 있다. 그중에서도 인간의 곁에서 신체적 접촉을 동반하며 안전하게 상호작용할 수 있는 로봇은 인간-로봇 상호작용(HRI) 기술의 핵심 도전 과제로 떠오르고 있다. 이는 인간과 로봇이 서로 예측하기 어려운 상태에서 물리적 힘을 주고받아 매우 높은 수준의 안전성을 요구하기 때문이다. 하나의 도전적인 예시로 ‘아기를 목욕시키는 로봇’을 상상할 수 있다. 아기는 극도로 연약하고 예측 불가능하게 움직이며, 로봇은 물과 거품으로 인해 미끄러운 환경에서 상호작용해야 한다는 점에서 이 문제는 특히 도전적이다. 또한, 욕실의 물방울, 증기, 반사 등은 센서 데이터의 신뢰성을 저해하는 최악의 조건이다. 이처럼 사소한 실수도 용납되지 않는 극한의 정밀함과 안전성이 요구되는 작업을 기계가 수행하는 것은 엄청난 기술적 난제를 의미한다. 안전한 로봇-인간 상호작용이라는 궁극적인 목표를 달성하기 위해서는 인간의 의도를 정확히 인식하는 기술, 절대적인 물리적 안전성, 그리고 인간 수준의 에너지 효율이라는 세 가지 핵심 요소가 반드시 전제되어야 한다. 

먼저, 인간과 로봇의 긴밀한 협력을 가능하게 하는 첫 번째 전제는 의도 인식 기술이다. 의도 인식은 단순히 사용자의 동작을 감지하는(‘무엇을 하는가’) 수준을 넘어, 그 행동의 목적과 맥락(‘왜 하는가’)을 추론하는 기술을 의미한다. 예를 들어, 보호자가 손을 물속으로 뻗는 동작은 겉보기에는 같지만, 아기를 받치려는 의도일 수도 있고, 수온을 확인하거나 거품을 걷어내려는 의도일 수도 있다. 로봇이 이를 구분하지 못한다면 잘못된 시점에 개입하거나 위험한 반응을 보일 수 있다. 또한, 의도 인식은 현재 상태의 이해를 넘어 미래 행동을 예측하는 기술이기도 하다. 따라서 정적인 상황보다 분초를 다투는 동적 환경에서 더욱 중요하다. 예를 들어, 들고 있던 아기를 놓친 위험한 순간에는, 로봇이 보호자의 움직임을 보고 의도를 파악하기엔 너무 늦다. 로봇은 인간의 반응 시간(약 140–180ms)보다 빠르게 반응해야 하며, 상황에 따라 사용자의 움직임과 동기화된 협응 제어를 수행해야 한다. 이를 위해 로봇은 비전, 음성, 촉각 센서뿐 아니라 사용자의 동작과 시선, 신경 신호 등 다양한 입력을 통합 분석하여 행동의 맥락을 추론해야 하며, 확률적 추론이나 학습 기반 모델이 활용될 수 있다. 그러나 인간의 의도는 명시적으로 표현되지 않고, 환경적 노이즈로 센서 데이터가 왜곡될 수 있어, 실시간으로 정확하고 안정적인 의도 인식은 여전히 해결해야 할 중요한 과제로 남아 있다. 

유추된 의도를 기반으로 로봇은 각 조인트를 움직이는 ‘행동’을 하게된다. 이때 인간과의 상호작용에서 절대적으로 중요한 것은 안전이다. 로봇이 사람의 곁에서 물건을 건네거나 팔을 잡는 등 신체 접촉이 이루어지는 순간, 아주 미세한 힘의 불균형이나 제어 오차도 심각한 위험으로 이어질 수 있다. 이러한 위험을 최소화하려면, 접촉력을 정밀하게 감지하고 제어할 수 있는 고감도 촉각·압력 센서와 이에 기반한 제어, 충격을 흡수하며 빠르게 반응하는 기계적 메커니즘, 그리고 부드럽고 온화한 질감을 제공하는 유연한 외피(skin) 기술이 필수적이다. 그러나 센서나 하드웨어만으로는 충분하지 않다. 사람의 움직임과 의도를 실시간으로 예측하고, 예기치 못한 접촉이나 불안정한 자세 변화에 즉각 대응할 수 있는 안전 제어 알고리즘이 함께 개발되어야 한다. 이를 위해 로봇은 비전, 촉각, 관절력, 가속도 등 다양한 데이터를 통합하여 순간적인 힘 변화와 환경 변화를 감지하고, 필요 시 즉시 힘을 해제하거나 경로를 수정해야 한다. 이러한 센서, 제어, 메커니즘, 소재 기술의 통합적 발전이 이루어질 때, 로봇은 인간과 같은 공간에서 신뢰할 수 있고 안전하게 상호작용하는 진정한 협력자로 자리 잡을 수 있을 것이다. 

이처럼 인간의 곁에서 지속적으로 상호작용하며 힘을 가하는 작업은 로봇 구동기에 큰 부하를 주어 많은 에너지를 소모하게 한다. 아무리 뛰어난 로봇이라도 작동 시간이 짧다면 그 실용성은 급격히 저하될 수밖에 없을 것이다. 배터리기술도 발전하고 있지만 적당한 가격에 기존보다 높은 에너지 밀도를 갖는 배터리 시스템이 쉽게 나오진 않을 것이다. 현재 판매되는 로봇들은 대부분 1시간 미만의 배터리 시간을 가지고 있고 보통 충전시간은 1.5~2시간 정도라, 지속적인 사용을 위해서는 2,3 대의 로봇이 필요한 상황이다. 또한, 에너지 효율은 낮은 발열을 의미하고 주변 사람들에게 더 쾌적한 환경을 만들 수 있다. 로봇이 사용하는 대부분의 에너지는 열로 변환되기 때문에 에너지 효율이 높아야지 아이를 안전하게 목욕 시킬 수 있다. 따라서 에너지 효율적인 로봇은 인간과 상호작용을 위해서 필수적이다. 다양한 부품 중에서도 로보틱스에서 주목해야 되는 것은 구동기의 열 소모이다. 로봇이 힘을 내거나 움직일때 구동기의 다양한 파트에서 열이 발생한다. 이를 줄이기 위해서는 하드웨어적인 발전은 물론 소프트웨어적인 발전도 동반되어야 한다. 단편적인 발전이 아닌 로봇 분야의 전반적인 발전만이 효율이란 난제를 풀 수 있는 열쇠이다. 

결론적으로, ‘인간의 곁에서 안전하게 상호작용할 수 있는 로봇’이라는 목표는 로봇이 일상 공간으로 진입하기 위해 반드시 해결해야 할 핵심 과제이다. 예시로 든 ‘아기를 목욕시키는 로봇’은 단순한 기술 시연을 넘어, 인간-로봇 상호작용의 궁극적인 지향점을 제시한다. 이러한 도전을 성공적으로 달성하기 위해서는 인간의 의도를 예측하는 고도의 지능, 인간의 안전을 절대적으로 보장하는 정밀한 물리력 제어, 그리고 장시간 임무 수행을 가능하게 하는 에너지 효율이 유기적으로 결합되어야 한다. 이러한 기술적 난제를 해결하는 과정은 육아를 포함한 돌봄, 의료 보조, 일상 지원 등 다양한 영역에서 인간의 삶에 실질적인 도움을 제공하는 로봇 기술의 핵심 기반이 될 것이다. 인간이 가장 연약한 존재를 안심하고 맡길 수 있을 때, 비로소 로봇은 우리의 일상 속에서 신뢰할 수 있는 동반자이자 유능한 협력자로 자리매김할 수 있을 것이다.