한국통신학회 KICS

모바일 사물 인터넷 플랫폼 기술의 미래 (사이보그)

한림대학교 소프트웨어융합대학 김태운 조교수 (taewoon@hallym.ac.kr)

최근 몇 년간 4차 산업혁명이 큰 주목을 받으며, 기존 산업구조를 혁신적으로 바꿔줄 핵심기술에 대한 뜨거운 관심이 이어지고 있다. 특히 4차 산업혁명의 핵심기술 중 하나로 손꼽히는 사물인터넷은 꾸준한 성장세를 보이고 있는데 소프트웨어정책연구소의 2019년 “사물 인터넷 시장 및 주요 기업 동향” 보고서에 따르면 전세계 사물 인터넷 시장 규모는 7,255억 달러에 달하며(2018년도 기준, 전년 대비 ▲14.9%), 2016년부터 2022년까지 연평균 12.8% 성장하여 1조 1,933억 달러에 달할 것으로 전망된다 [1]. 이러한 성장세는 사물에 센서를 부착하고 네트워크로 연결하는데 그친 기존의 센서 네트워크에서 더 나아가 인터넷 연결성을 기반으로 지능화/자동화된 형태의 사물 인터넷 서비스가 다양한 산업분야에서 긍정적인 효과(예: 생산성 향상)를 가져오는 것에 기인한다. 사물 인터넷은 서비스 측면뿐 아니라 데이터 수집/분석 기술, 센서 및 플랫폼 기술, 네트워크 및 통신 기술 등 다양한 기술 요소의 집합체 인데, 본 기사에서는 모바일 사물 인터넷 플랫폼 기술에 대해 다루어 보고자 한다.

드론 또는 무인 항공기(Unmanned Aerial Vehicles, UAV)는 초창기 군사 목적으로 다수 활용되었다. 위험지역 또는 적진을 탐사할 때 고가의 항공기와 비행사의 손실을 방지하기 위해 활용 되었는데, 최근에는 저렴해진 비용, 기체 소형화 및 사물 인터넷 기술과의 결합으로 인해 다양한 응용분야에서 활용되고있다. 지상의 복잡한 장애물로부터 자유로운 무인 항공기는 정찰, 모니터링, 자연재해 감지, 인명구조, 통신 신호 중계 등 다양한 분야에서 활용이 가능하다 [2]. 하지만 무인 항공기를 이용하는 것에는 몇가지 해결해야 하는 문제가 있는데, 현재 배터리 기술로는 비행 시간이 수십 분 이하로 제한된다는 점, 그리고 장애물이나 기류 변화 등 주변환경에 적응하여 미션을 달성하기 위해서는 복잡한 하드웨어 구성 및 알고리즘 고안이 필수적이라는 점이다. 또한 수십에서 수 백대의 무인 항공기를 운용하기에는 비용부담이 크다는 점도 고려해야 한다.

이러한 문제를 극복하기 위해 살아있는 벌레를 무인 항공기로 사용하는 연구가 진행되고 있다. 기나긴 진화 과정의 결과로, 벌레는 공기 역학적 몸체를 지니고 있으며 주변 환경에 스스로 반응하여 장애물을 회피하고 기류에 적응한다. 섭취한 음식으로 축적된 생체 에너지로 비행 및 이동하므로 이동시에 배터리를 소모 하지 않으며, 생체 에너지는 재충전이 가능하다. 또한, 아래에 소개할 대부분의 연구는 쉽게 구할 수 있는 벌레를 수십 달러 수준의 적은 비용으로 사이보그 벌레(Cyborg insects)로 만들 수 있어, 대규모의 무인 항공기를 저렴한 비용으로 운영할 수 있다.

최근 ACM Mobicom 2019에 발표한 Living IoT 논문은 [3] 호박벌을 이용한 무선 모바일 사물 인터넷 플랫폼 연구 결과를 소개한다. 그림 1에서 볼 수 있듯이, 워싱턴 대학 연구진은 초경량(중량: 102 mg)/초소형 무선 센싱 플랫폼을 호박벌에 장착하는 연구를 진행 했는데, 해당 플랫폼은 무선 통신, 위치 측정, 센싱 모듈 및 배터리로 구성되어있다. 호박벌은 비행 중 환경정보 및 위치정보를 수집하고, 벌집으로 돌아와 근처의 AP(Access Point)에 데이터를 업로드 한다. 배터리 사용량을 늘리기 위해 무선 수신 모듈을 제거한 결과, 위치 정보를 4초에 한번씩 샘플링 할 때 최대 7시간 운행이 가능하다. 또한 동 논문은 배터리의 지속 시간을 늘리기 위해 무선 충전 기술을 적용하는 방법과, 배터리를 없애고 태양광 에너지를 이용하는 방법의 가능성을 시사한다.

그림 1. 센싱 및 위치 측정이 가능한 사이보그 호박벌 (출처: [3])

곤충의 이동성 뿐만 아니라 발달된 후각 능력을 활용하여 특수 임무에 사용하려는 연구도 진행되었다. 미국 워싱턴 대학의 Raman 교수 연구진은 메뚜기의 발달된 후각을 이용해 폭발물을 감지하는 연구를 진행했다 [4][5]. 연구진이 밝혀낸 바에 따르면, 메뚜기는 냄새로 인해 뇌 신경 활동이 촉진되고 이를 통해 특정한 냄새를 구분할 수 있으며, 충분한 훈련 뒤에는 다양한 냄새가 혼재하는 환경이라도 목표하는 냄새를 탐지하고 구분해 낼 수 있다 [참고: 그림 2].

그림 2. 뛰어난 후각을 이용해 폭발물을 감지하는 사이보그 메뚜기 (출처: [4])

목표 영역 감시/정찰, 초경량 물품 수송 등의 임무를 위해 사이보그 곤충의 이동을 제어하는 연구도 다수 시도되었다. 드레이퍼 연구소와 [6] Howard Hughes Medical Institute (HHMI) 연구소가 공동으로 진행한 DradonflyEye 프로젝트는 [7][8] 정찰용 사이보그 잠자리를 개발하는 연구를 진행했다. 잠자리는 센서와 태양광 전지 등으로 구성된 초경량 책가방(backpack)을 장착하고 있는데, 이를 통해 잠자리의 비행을 제어할 수 있다 [참고: 그림 3].

그림 3. 태양광 전지와 센서를 장착한 정찰용 사이보그 잠자리 (출처: [8])

사이보그 벌레의 이동성에 대한 연구는 Nanyang Technological University (NTU) 대학과 University of California (UC) Berkeley 대학의 연구진에 의해 활발하게 연구되었는데, 2015년에 출간한 논문에서 [9] 딱정벌레의 비행을 무선으로 제어할 수 있다는 것을 보였다. 연구진은 딱정벌레(giant flower beetle)가 비행중 방향을 제어할 때 사용하는 근육을 구분해 낸 뒤, 해당 근육에 연결된 전선에 신호를 보내는 방식으로 딱정벌레의 비행을 제어할 수 있다는 것을 보였다 [참고: 그림 4]. Sato 교수 연구진은 이에 더 나아가 2016년에 출간한 논문에서 [10] 딱정벌레의 보행을 정확하게 제어할 수 있다는 것을 증명했다.

그림 4. 무선으로 비행 제어가 가능한 사이보그 딱정벌레 (출처: [9])

Sato 교수 연구진은 이어서 무선으로 거저리(darkling beetle)의 이동을 제어하는 연구를 진행했다 [11]. 거저리는 딱정벌레보다 크기가 작아서 이동에 제약을 덜 받는다. 해당 연구에서는 근육을 직접 자극하여 이동을 제어하는 기존 방식과는 달리, 더듬이를 자극하는 방식을 사용했다. 더듬이를 자극하면 거저리는 장애물이 있다고 판단하여 스스로 방향을 전환하는데, 이는 기존 방식에 비해 효과적인 방법이다. 왜냐하면 기존에는 사람이 직접 경로를 제어하거나 특정한 움짐임 패턴을 사전에 프로그래밍 해야 했기 때문이다.

그림 5. 무선으로 제어가 가능한 사이보그 거저리 (출처: [11])

Sato 교수 연구진의 사이보그 딱정벌레 연구는 동물 학대에 해당한다는 질타를 받기도 했으나, Sato 교수의 말에 따르면 실험에 사용한 딱정벌레는 평균 수명을 다한 뒤 사망한다고 한다. 사이보그 벌레에 무선 센싱 및 위치 측정 기술이 결합된 사물 인터넷 기술은 특히 재해/재난 현장(예: 건물 붕괴, 지진 피해지역 등)에서 인명 탐색 및 구조에 큰 도움을 줄 것으로 기대되나, 테러와 같은 불법적인 용도로 사용되지 못하도록 지속적인 감시 및 무기화 금지를 위한 규제가 필요하다.

<참고자료>

[1] 소프트웨어정책연구소(SPRi), 사물인터넷 시장 및 주요 기업 동향, 2019.01.25. (https://spri.kr/posts/view/22557?code=industry_trend)

[2] Y. Zheng et al., “Wireless communications with unmanned aerial vehicles: opportunities and challenges,” IEEE Communications Magazine, pp. 36-42, May 2016.

[3] V. Iyer et al., “Living IoT: a flying wireless platform on live insects,” ACM Mobicom, Oct. 2019.

[4] Washington University, Engineers to use cyborg insects as biorobotic sensing machines, 2016.06.30.  (https://engineering.wustl.edu/news/Pages/WashU-engineers-to-use-cyborg-insects-as-biorobotic-sensing-machines.aspx)

[5] 매일경제, "메뚜기로 폭탄퇴치"…미 연구팀 메뚜기 후각이용 폭탄탐지 연구, 2016.07.05. (https://www.mk.co.kr/news/it/view/2016/07/481171/)

[6] The Charles Stack Draper Laboratory, Inc. (https://www.draper.com)

[7] Fox News, How insect cyborgs could battle terrorism, 2017.05.23. (https://www.foxnews.com/tech/how-insect-cyborgs-could-battle-terrorism)

[8] The Charles Stark Draper Laboratory, Inc., DragonflEye Has Liftoff, 2017.05.31. (https://www.draper.com/news-releases/dragonfleye-has-liftoff)

[9] M. Sato et al., “Deciphering the Role of a Coleopteran Steering Muscle via Free Flight Stimulation,” Current Biology, Mar. 2015. (https://doi.org/10.1016/j.cub.2015.01.051)

[10] F. Cao et al., “Insect–computer hybrid legged robot with user-adjustable speed, step length and walking gait,” Journal of The Royal Society Interface, Mar. 2016. (https://doi.org/10.1098/rsif.2016.0060)

[11] IEEE Spectrum, “Controllable Cyborg Beetles for Swarming Search and Rescue,” 2017.11.28. (https://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/robotics-hardware/cyborg-beetles-for-swarming-search-and-rescue)