'젊은 로봇 공학자'(36) KIST 양성욱 박사

'젊은 로봇공학자(Young Robot Engineer)' 코너는 한국로봇학회와 로봇신문이 공동으로 기획한 시리즈물로 미래 한국 로봇산업을 이끌어 갈 젊은 로봇 공학자를 발굴해 소개하는데 있다.

36번째 인터뷰는 KIST(한국과학기술연구원) 양성욱 선임연구원이다. 양 선임연구원은 서울대 기계항공공학부에서 학사, 석사학위 취득후 2006년부터 KIST 연구원으로 재직하다 미국으로 유학, 2015년 5월 미국 카네기멜론대에서 박사 학위를 받았다. 그후 KIST에 다시 복직해 2016년 3월부터 2018년 12월까지 뇌과학연구소 선임연구원, 2019년 1월부터 현재까지 로봇미디어연구소 지능로봇연구단 선임연구원으로 재직하고 있다. 2016년 3월부터 2018년 2월까지 과학기술연합대학원대학교 조교를 역임했다.

주요 관심분야는 바이오메디컬 응용 로봇 플랫폼, 서지컬 로봇, 바이오 메디컬 로봇이다. 2008년, 2009년 대한기계학회 최우수논문상, IROS 2014 최우수 어플리케이션 논문상, 2015년 한국로봇학회 선정 '주목할 만한 젊은과학자상(Outstanding Young Scientist Award)', 2016년 IEEE/ASME Transactions on Mechatronics (TMECH) 최우수논문상, 2017년 대한기계학회 최우수논문상 등을 수상했다. 

Q. KIST Intelligent & Interactive Robotics(지능로봇연구단)에 대한 소개 부탁 드립니다.

KIST 로봇·미디어 연구소 내의 지능로봇연구단(Center for Intelligent and Interactive Robotics)은 로봇과 인간이 자연스럽고 직관적으로 상호작용하기 위한 인공지능(AI) 로봇 기술, 인간과 로봇 간 상호작용 기술, 공존현실 기술 등의 다양한 분야의 연구를 수행하고 있습니다. 스스로 사용자와 환경을 인식하고 다수 로봇과 상호 협력하는 네트워크 기반 휴머노이드 기술을 개발하였으며, 현실과 가상, 원격 세계의 통합 인터랙션 및 협업을 위한 인체 감응 솔루션, 생각대로 움직이고 느낄 수 있는 바이오닉암 연구 개발 사업 등을 진행하고 있습니다.

▲ 최근 수행 중인 난치성 뇌종양 치료를 위한 핸드헬드 로봇 시스템의 개요

Q. 최근 하고 계신 연구가 있다면.

최근에는 환자의 생존은 물론 삶의 질과 기능에 직접적인 영향을 미치는 난치성 뇌종양의 효과적인 치료를 위하여, 실시간으로 뇌종양을 진단하고 치료할 수 있는 핸드헬드 타입의 수술 로봇시스템 연구를 시작하였습니다. 이 연구는 기존의 외과의사의 눈(진단)과 손기술(치료)에 의존하던 뇌종양 수술에서 벗어나 신개념 광학 역상, 나노약물 및 로봇 기술을 접목한 신개념 의료로봇에 관한 연구입니다. 이와 함께 수부 절단 장애인들이 생각하는 대로 움직이고 느낄수 있는 바이오닉암의 통합 제어 시스템 연구, 다양한 환경에서 적용 가능한 새로운 개념의 로봇 핸드 연구도 수행하고 있습니다.

▲ 박사학위 기간 동안 연구한 Handheld robot연구의 개요

Q. 카네기멜론대에서 Handheld Micromanipulator for Robot-Assisted Microsurgery 라는 제목으로 박사 학위를 받으셨는데 어떤 내용인지 소개 부탁 드립니다.

먼저, 핸드헬드 로봇에 대하여 설명을 드려야 할 것 같습니다. 핸드헬드 로봇은 기존에 잘 알려진 마스터-슬레이브 기반의 텔레오퍼레이션으로 구동되는 수술 로봇이 아닌, 의사가 직접 로봇을 손에 쥐고 미세 정밀 수술을 할 수 있는 플랫폼을 뜻합니다. 이를 위해서는 손 안에 쥘 수 있을 정도의 작은 크기를 가지며 수술 도구 끝단을 정밀하게 제어 할 수 있는 다자유 핸드헬드 매니퓰레이터 연구가 필수적입니다.

그러나 손안에 쥘 수 있을 정도의 작은 크기의 매니퓰레이터(Handheld Micromanipulator) 구동을 위해서는 크기가 매우 작은 엑추에이터들을 이용하게 되고, 그만큼 엑추에이터의 힘이나 토크가 충분하지 않기 때문에 기존 매니퓰레이터를 단순하게 소형화하는 개념으로는 원하는 성능을 얻지 못하게 됩니다.

 

▲ CMU에서 최종 thesis defense 발표

저는 이러한 한계를 극복하고, 미세 수술에서 필요한 성능을 충분히 낼 수 있도록 하는 6자유도 병렬기구에 대한 최적 설계 방법을 제안하였습니다. 이를 기반으로 개발된 핸드헬드 로봇을 이용하여 미세 수술에서 손 떨림을 보정하고 원하는 손 동작만 추출하여 수술 도구 끝단으로 전달하는 액티브 트레머 캔슬레이션(Active Tremor Cancellation)연구, 그리고 현미경 영상을 이용하여 핸드헬드 로봇의 레이저 수술을 자동화하는 다양한 방식의 비주얼 서보잉(visual servoing) 연구를 하였습니다. 레이저 수술의 경우 눈 안 쪽에 있는 망막 질환에 대한 수술을 타켓으로 하였었는데 우리의 눈은 공기 중과 달리 렌즈, 유리체 등의 다양한 구조로 이루어져 기존의 카메라 모델에 대한 가정이 적용될 수 없어 이를 이용한 로봇 제어도 사실상 어려운 상황이었습니다.

 

▲ CMU에서 박사 학위 수여식

저는 이러한 근본적인 문제를 해결하기 위해 새로운 방식의 서피스 리컨스트럭션(surface reconstruction)방법과 비주얼 서보잉 방법을 제안하게 되었습니다. 이러한 연구들을 통해 실험실 환경에서만 테스트 되고 실제 수술 환경에서는 적용되지 못했던 기존 핸드헬드 로봇의 한계를 극복할 수 있는 새로운 핸드헬드 로봇의 설계와 제어에 관한 방법론을 제시하고자 하였습니다.

Q. 주 관심 분야가 서지컬 로봇이나 바이오메디컬 로봇으로 알고 있습니다. 바이오 메디컬 분야의 최신 시장 동향이나 기술 트렌드가 있다면 무엇인가요?

최근 빅데이터, AI기술의 발전으로 기존에 의료진의 수술을 보조하거나 주어진 명령에 따라서만 제어되는 수술 로봇, 바이오의료 로봇에서, 이제는 병변의 정보를 보다 효율적으로 판단하고 이를 진단과 치료, 수술에 활용하는 로봇으로 발전되어 나가고 있습니다. 아직 수술 로봇의 자동화에 관한 연구는 시작 단계이지만, 현재 수술 바늘의 삽입이나 봉합, 조직 적출 등의 특정 작업에 대한 자동화 연구 등이 활발히 진행되고 있습니다.

또한 싱글포트 수술, 자연개구부 수술에 적용하기 위한 유연한 타입의 수술 로봇 연구도 활발히 이루어지고 있습니다. 이와 더불어 축적된 산업용 로봇 기술을 활용하는 범용 로봇팔 형태의 수술 로봇 및 중재 시술 시스템도 제품화되면서 최근 관련 연구가 부각되고 있습니다. 그리고 3D 프린팅 기술 등을 이용한 맞춤형 의료나 재활 기술, 로봇의 안정성을 높이기 위한 제어 기술 등도 꾸준히 연구 되고 있습니다.

5. 서비스 로봇 시장에서 의료로봇은 유망 분야 중 하나입니다. 하지만 제품 개발과 인증까지 너무 오랜 시간이 걸리기 때문에 사업화가 쉽지 않고 중소기업이 사업을 하기에는 쉽지 않은 분야입니다. 나름의 해결방안이 있다면?

의료 로봇은 다른 서비스 로봇과 달리 시장에 실제 등장해서 적용되기까지 많은 시간이 소요됩니다. 현재 세계 수술 로봇 시장의 80% 이상을 점유하고 있는 미국 인튜이티브 서지컬 의 다빈치 로봇은 수술 로봇 개발 이후에 미국 FDA의 승인을 받고 본격적으로 시장에 진입하기까지 거의 10년이 소요되었다고 합니다. 따라서 개발과 까다로운 인증 등에 긴 시간이 소요되기 때문에 중소기업 입장에서는 사업화하기가 여전히 쉽지 않은 것이 사실입니다.

국내의 경우도, 로봇을 전문적으로 개발하는 회사조차도 기술적으로 플랫폼이 완성이 된 이후에 인증과정을 거치면서 핵심 설계나 요소 기술을 변경하면서 상당한 시간을 필요로 하는 경우가 발생하고 있습니다. 따라서 이러한 과정에 소요되는 시간을 줄이고 원활한 사업화를 하기 위해서는 첫 번째, 의료현장의 수요를 정확히 이해할 필요가 있습니다. 기술적으로 아무리 뛰어난 제품도 현장의 요구를 이해하지 못한다면 사업화하는데 상당한 난항을 겪기 마련입니다. 예를 들어 다빈치 로봇의 경우, 발전 방향이 초기에 하드웨어 개선에 맞춰 졌다면 그 이후로는 UX 디자이너등을 고용하면서 실제 수술 상황에서의 로봇의 이동, 배치 조립 등 사용성에 보다 신경을 쓰고 있습니다. 두 번째는, 해당 분야, 의료분야에 대한 용어나 기술적인 이해부터, 임상, 인증 절차에 관한 정보도 관련 로봇 기술을 개발하는 연구자가 가지고 있어야 한다고 생각합니다. 예를 들어 인증 절차에 대한 이해를 바탕으로, 기존에 기 인증된 플랫폼, 세부 기술이나 관련 절차 등을 적절히 활용하면 이에 소요 되는 시간을 단축할 수 있을 거라 생각이 됩니다.

Q. 서울대에서 학사, 석사, CMU에서 박사학위를 받으셨는데 로봇을 하시게 된 동기가 있다면?

사실 서울대 기계항공공학부에 진학할 때만 해도, 막연하게 기계 로봇 등 무언가 만들고 움직이게 하는 연구를 하고 싶다고 생각했던 것 같습니다. 그리고 그것들을 위해선 기계공학도로서 모델링을 하고 설계를 하는 것 뿐만 아니라, 해석을 하기 위한 수학, 전자회로, 프로그래밍 등 다른 학문 분야도 관심을 가지고 필요한 지식을 습득하는 과정이었던 것 같습니다. 그러는 사이에 석사 과정에 진학하게 되었고 이론에서 벗어나 현장의 실무를 조금씩 배우게 되었으며, 특히 의공학개론 수업을 들으면서 바이오메디컬 분야에 적용할 수 있는 로봇에 대하여 구체적인 관심을 갖게 되었습니다. 그리고 KIST에 전문연구요원으로 들어가면서 우리 몸속에서 원하는 대로 이동할 수 있는 내시경 마이크로 로봇, 움직이는 생쥐에서 머리에 이식된 전극을 자동으로 이송시킬 수 있는 초소형 마이크로매니퓰레이터 연구를 수행하면서 본격적인 로봇 연구를 시작할 수 있게 되었습니다. 그리고 그 이후 CMU의 로봇연구소에서 박사 과정을 보내면서 로봇에 대한 학문적 이해 그리고, 로봇의 역할, 미래 등에 고민하는 시간을 보낸 것 같습니다. 그리고 현재는 사람의 한계를 극복할 수 있는 새로운 형태의 바이오메디컬 로봇 플랫폼 연구로 이어 가고 있습니다.

 

▲ 바이오닉암 연구개발사업 관련 2019년 미국 유관 연구기관 방문 시 들렀던 Case Western Reserve University, Cenk 교수의 수술 로봇 관련 설명

Q. 여러 가지 연구를 하고 계신데 연구를 하면서 가장 어려운 부분은 무엇인지요?

바이오와 관련된 로봇 분야의 경우, 그 분야의 수요 (need)를 파악하는 것이 무엇보다 중요한 것 같습니다. 그러나 로봇 연구자 혼자서 해당 분야의 한계와 필요 기술을 파악하고 이를 극복하기 위한 연구로 발전시켜나가는 과정은 생각보다 쉽지 않습니다. 따라서 때로는 해당 기술을 개발하는 과정보다 기술 개발의 필요성을 이끌어 내는 과정, 그리고 해당 기술의 킬러 어플리케이션(killer application)을 찾는 과정이 연구자 입장에서는 더 어려운 과정인 것 같습니다.

이와 함께 의료 분야에 적용되는 로봇 기술은 무엇보다 안정성이 우선 되어야 하기 때문에 인체와 같이 비정형화된 환경에서도 오동작하지 않고 항상 신뢰성 있게 동작해야 하는 시스템을 만들어야 한다는 부담을 가지고 있습니다. 그리고 제가 연구하는 로봇의 형태는 센티미터 정도의 작은 로봇들을 많이 연구하게 되는데, 구현하고자 하는 아이디어가 있더라도 필요로 하는 실제 구현에 있어서는 가공의 어려움이 항상 따르게 되고 초소형 엑추에이터, 센서, 기계 요소 부품들이 제한적이라, 조인트나 엔코더 등을 직접 개발하여 사용해야 되는 경우도 종종 발생하기도 합니다.

▲ 몸속을 기어가는 캡슐 내시경 연구가 내시경 분야 최고 저널이 Gastrointestinal endoscopy의 2010년 커버 페이지에 등재 됨. (공동 제1저자)

Q. 연구자로서 앞으로의 꿈과 목표가 있다면?

저는 로봇 연구자로서 바이오 메디컬 분야에서 사람 능력의 한계를 극복하는 로봇 연구를 하고 싶습니다. 그리고 그것을 통해 아직 우리가 알지 못하는 연구 분야를 개척하는데 도움을 줄 수 있고, 아직 기술적인 어려움으로 치료되지 못하는 질환들을 극복하는데 도움을 주고 싶습니다.

제가 CMU에서 로보틱스 박사 학위를 받으면서 고민한 점 중에 하나가 과연 로봇이란 무엇인가 질문을 제 스스로 던져보았습니다. 그리고 그 과정에서 다양한 분야에 적용되는 로봇들도 있고, 다양한 형태에 해당되는 로봇들이 있다는 것을 느끼게 되었습니다. 그리고 이렇게 생김새나 적용되는 분야는 상당히 다르지만 로보틱스에서 추구하는 기술과 철학은 공유한다는 걸 생각하게 되었고, 분야나겉 모양이 아닌, 제가 생각하고 추구하는 로봇의 정의를 내려야겠다라는 결론에 이르게 되었습니다.

제가 추구하는 로봇은 인간의 한계를 극복하는 로봇이라고 생각하며, 그 한계가 두드러지고 여전히 극복되지 못하고 있는 분야중 하나가 바이오 메디컬 분야라고 생각됩니다. 그리고 저는 이 분야의 한계를 극복 할 수 있는 로봇을 연구하고자 합니다.

▲ 2017년 대한기계학회에서 광섬유를 이용한 모션 캡처 기술 연구로 우수논문상 수상

Q. 로봇공학을 연구하려는 학생들이 늘어나고 있습니다. 그러기 위해서는 어떤 준비와 노력이 필요한지 후배들에게 조언을 해주신다면?

최근 들어 로봇에 관한 관심이 증가하면서 기존에 전문가들만이 접하는 로봇이 아닌 이제는 일반인들도 쉽게 접할 수 있도록 다양한 로봇 기술이 오픈 플랫폼 형태로 등장하고 있습니다. 이러한 플랫폼들을 잘 활용하면 전문지식이 부족하더라도 머릿속에 있는 아이디어들을 손쉽게 구현해 볼 수 있어졌습니다. 그리고 이러한 정보나 인프라와 더불어 중요한 것이 로봇 연구를 위한 학문적 기초인 것 같습니다. 연구는 깊게 들어 가면 들어 갈 수록 학문적 기초가 얼마나 중요한 것인지 저 자신도 매번 깨닫고 있습니다.

저도 학부 과정을 보내는 동안 배우는 지식들이 도대체 어떻게 활용되는지 의문을 가졌던 적이 있습니다. 그러나 로봇은 단순한 기계가 아니기 때문에 이를 위한 설계, 제어, 학습 모든 과정에서 상당한 공학적, 수학적 이론을 기반으로 하고 있습니다. 따라서 이러한 지식들도 탄탄히 쌓으며 로봇 연구의 꿈을 이루어 나가셨으면 좋겠습니다.

마지막으로는 로봇 공학이 융합학문인것 만큼 다른 분야에 대해 새롭게 접하는 것을 두려워 하지 말고 항상 도전하라는 말씀을 드리고 싶습니다. 저도 학사, 석사는 기계공학를 전공하였지만 그 과정에서 전기전자, 프로그래밍과 다른 전공 분야를 접할 수 있었던 기회, 그리고 박사 학위 과정에서도 컴퓨터사이언스 분야를 조금은 이해할 수 있었던 그 모든 과정이 지금의 연구를 가능하게 하는 양분이 되었다고 생각합니다.

Q. 국내 로봇산업이 한 단계 더 발전하기 위해 조언을 해 주신다면...

몇 년 전까지만 해도 일반인이 구매할 수 있는 로봇은 로봇 청소기 뿐인가라는 우스갯소리를 한 적이 있습니다. 그러나 이제는 다양한 로봇들이 우리 곁으로 오는 시기가 도래하고 있습니다. 그만큼 기술의 완성도는 점차 높아지고 가격은 낮아지며, 과거 산업이나 의료 현장에서만 적용되던 로봇이 이제는 일반인을 대상으로 하는 시장으로 나아가고 있습니다. 그러나 한편으로는 한 두 번의 데모 수준이 아닌 항상 안전하고 친숙하게 우리 곁에 있을 수 있는 로봇으로 가기 위해서는 아직 기술적으로 해결해야 할 문제들이 많이 남아 있기도 합니다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 연구자의 개별적인 노력 뿐만 아니라, 의료기기 연구에서 연구자에서 수요자까지 이어지는 전주기적 연구의 기틀이 만들어진 것처럼 로봇 연구에서도 연속성 있는 연구가 수행될 수 있는 기회가 마련되어 갔으면 좋겠습니다.

▲ 2019년 대한기계학회에서 연구실 연구원, 학생들과 함께

Q. 연구에 주로 영향을 받은 교수님이나 연구자가 계시다면...

그동안 학교를 포함해 연구소에 있으면서 많은 연구자를 만나 뵈면서 저 자신의 부족함도 많이 느끼고 훌륭하신 연구자분들을 통해 본 받는 점도 많이 있습니다. 저는 그중에서도 석사 과정 지도 교수님이신 박희재 교수님을 존경하고 그 철학을 공유하고자 합니다.

“여러분이 할 수 있는 애국은 여러분의 기술들이 제품이 되고 그것을 들고 해외 나가 대한민국의 깃발을 꽂는 것이다”. 저는 15년이 지난 지금도 이 말씀을 항상 가슴에 새기고 있습니다.

저도 박희재 교수님의 철학을 이어받아 연구자 자신만의 만족을 위한 연구가 아니라 실제로 적용되어 많은 사람에게 혜택을 줄 수 있는 연구, 그리고 우리의 로봇 연구와 관련 기술이 세계 기준이 되고 중심이 될 수 있을 만큼 역량을 끌어 올리기 위해 부단히 노력하도록 하겠습니다.