과학자가 실험하는 속도보다 1000배 빠름

일주일 내내 하루 종일 쉬지 않고 일하면서 스스로 실험을 수행할 수 있는 지능형 모바일 로봇이 선을 보였다.

특히 이런 종류의 로봇으로는 최초로, 다음에 어떤 화학 실험을 수행할지 스스로 결정할 수 있는 능력을 보유하고 있다.

영국 리버풀대 연구팀이 개발한 이 로봇은 인간과 비슷한 1.75m 높이에 인간이 하는 것과 거의 똑같이 도구를 사용하며 표준적인 연구실에서 ‘근무’할 수 있다.

비록 모양이 사람과 같지 않고 무게가 400㎏에 달하지만, 10차원으로 생각할 수 있는 뛰어난 능력이 큰 장점이다. 또한 배터리를 재충전하는 시간을 제외하고 하루 21.5시간 동안 작동이 가능하다.

이 로봇은 과학저널 ‘네이처’(Nature) 9일 자 표지에 소개됐다. < 관련 동영상 >

실험 샘플들을 가지고 다니며 작업하는 자율주행 과학 로봇. © University of Liverpool

자율 주행하며 다양한 작업 수행

이 로봇의 새로운 기술은 현재 인간이 파악할 수 없는 규모와 복잡성의 문제를 해결할 수 있다는 점이 특히 눈길을 끈다.

한 예로, 이 자율 로봇은 광대한 미지의 화학적 공간을 탐색해 청정에너지 생산이나 새로운 약물 제조에 필요한 재료들을 찾아낼 수 있다.

이전에도 화학 연구에 로봇이 사용됐었으나, 이 로봇들은 전형적으로 특정 실험에 고정돼 있었다. 이에 비해 이번에 선보인 과학 로봇은 스스로 실험실을 돌아다니며 서로 다른 다양한 작업을 수행할 수 있다.

이 로봇은 인간과 같은 키에 여러 개의 관절로 이어진 하나의 몸통을 자유자재로 구부릴 수 있는 물리적 접근성을 갖추고 있어, 사람이 조작할 수 있도록 설계된 장비들을 가지고 작업이 가능하다.

원활한 작동을 위해, 시각 시스템보다는 위치에 대한 터치 피드백과 결합된 레이저 스캐닝 조합을 사용한다.

과학저널 ‘네이처’ 7월 9일 자 표지에 실린 ‘로봇 화학자’. 홈페이지 캡처.  © Springer Nature

활성 여섯 배 강한 촉매 자율적으로 발견

첫 번째 시연에서 이 로봇은 8일 동안 192시간 가운데 172시간을 일하며 688건의 실험을 수행했다. 이를 위해 319번을 움직여 6500회의 조작을 완료했다. 총 이동거리는 2.17㎞.

이 로봇은 고체의 무게를 재는 일이나 액체 분배, 용기에서 공기 제거하기, 촉매 반응 실행, 반응 생성물의 정량화와 같은 실험의 모든 작업들을 독립적으로 수행할 수 있다.

로봇의 뇌는 검색 알고리즘을 사용해 9800만 번 이상의 후보 실험을 할 수 있는 10차원 공간을 탐색해 이전의 실험 결과를 바탕으로 다음에 수행할 최선의 실험을 결정하는 것이 가능하다.

로봇은 이런 과정을 통해 연구팀으로부터 아무런 추가적 지침을 받지 않고 활성이 여섯 배나 더 강한 촉매를 자율적으로 발견하는 성과를 거뒀다.

이 ‘로봇 과학자’는 연구팀으로부터 아무런 추가 지침을 받지 않고 활성이 여섯 배나 강한 촉매를 발견했다. © University of Liverpool

“시간 벌어주는 새 슈퍼파워 팀원”

이 로봇을 제작하고 프로그램한 리버풀대 박사과정생 벤저민 버거(Benjamin Burger) 연구원은 “가장 큰 도전은 시스템을 강력하게 만드는 것으로서, 여러 날 동안 자율적으로 작업하고 수천 번의 정교한 조작을 수행하려면 각 과업에서의 실패율이 매우 낮아야 했다”며, “일단 작업이 완료된 다음에 로봇은 인간 작업자보다 실수를 훨씬 적게 했다”고 전했다.

이번 프로젝트를 이끈 리버풀대 화학 및 재료 혁신과 앤드루 쿠퍼(Andrew Cooper ) 교수는 “이번 개발 연구에서 우리 전략은 도구보다 연구원을 자동화하는 것이었다”며, “이는 우리가 일하는 방식과 해결할 수 있는 문제들을 바꿀 유연성을 창출한다”고 설명했다.

쿠퍼 교수는 “이번에 개발한 로봇은 실험실에서 작업하는 단순한 기계가 아니라, 새로운 슈퍼파워 팀원으로서 연구원들이 창의적으로 생각할 수 있는 시간을 벌어준다”고 밝혔다.