휴머노이드에서 안드로이드로

인간의 표정을 따라하는 휴머노이드 로봇

과거 과학 소설과 영화들은 우리에게 로봇의 미래를 상상하게 했습니다. 이들 작품 속 휴머노이드 로봇들은 단순한 기계를 넘어서 인간과 흡사한 외모, 표정, 심지어 감정까지 표현할 수 있는 존재로 묘사되었습니다.

이러한 상상은 단지 허구의 세계에 머무르지 않고, 최근 ChatGPT 와 같은 LLM과 함께 현실 세계의 기술 발전으로 점차 실현되고 있습니다. 특히, 인간의 표정을 모방하는 기술은 휴머노이드 로봇 연구의 한 분야에서 중요한 진보로 자리 잡았습니다.

휴머노이드 뜻

휴머노이드란 ‘인간과 유사한 형태나 특성을 가진’ 것을 의미합니다. 주로 로봇 공학에서 사용되는 이 용어는 두 발로 걷는, 인간의 신체 구조와 비슷한 모습을 한 로봇을 지칭하기 위해 사용됩니다. 휴머노이드 로봇은 인간의 팔, 다리, 머리 등을 모방하여 설계되며, 인간처럼 움직이고, 일부는 인간의 표정이나 감정을 표현할 수 있는 기능을 가지기도 합니다.

휴머노이드 vs 안드로이드

1. 휴머노이드(Humanoid): 이 용어는 인간과 유사한 형태를 가진 로봇을 넓게 지칭합니다. 휴머노이드 로봇은 인간처럼 두 팔, 두 다리, 머리 등을 가지고 있으며, 기본적인 인간의 움직임을 모방할 수 있습니다. 그러나 휴머노이드 로봇이 반드시 인간처럼 보이거나 인간의 표정을 정교하게 모방할 필요는 없습니다. 이 범주에 속하는 로봇은 기능적인 면에서 인간과 유사한 형태를 갖추고 있기만 하면 됩니다.
2. 안드로이드(Android): 안드로이드는 휴머노이드 로봇의 한 분류로, 특히 인간과 더욱 유사하게 생긴 로봇을 말합니다. 안드로이드 로봇은 인간의 외모를 정교하게 모방하며, 종종 인간의 피부, 머리카락, 눈, 입 등을 가지고 있어 인간처럼 보입니다. 또한, 인간의 표정이나 감정을 표현할 수 있도록 설계된 경우가 많습니다. 안드로이드는 인간과의 상호작용이 중요한 분야에서 특히 유용하게 사용될 수 있습니다.

요약하자면, 모든 안드로이드는 휴머노이드에 속하지만, 모든 휴머노이드가 안드로이드인 것은 아닙니다. 안드로이드는 인간의 외모와 행동을 보다 정밀하게 모방하는 휴머노이드 로봇의 한 종류입니다.

이 분야에서 유명한 회사가 영국에 기반을 둔 로봇 공학 회사, Engineered Arts와 그들의 혁신적인 휴머노이드 로봇 ‘아메카’입니다.

아메카는 인간의 표정을 정교하게 모방할 수 있는 능력으로 유명합니다. 이 로봇은 단순히 웃거나 눈을 깜빡이는 수준을 넘어, 미묘한 감정의 변화를 표현할 수 있는 얼굴 표정의 다양성을 갖추고 있습니다. 이는 로봇이 인간과 자연스럽게 소통하고 상호작용할 수 있는 기반을 마련합니다. Engineered Arts의 아메카는 최첨단 로봇 공학과 인공지능 기술을 결합하여, 사람들이 로봇과의 상호작용에서 경험할 수 있는 ‘불쾌한 골짜기’ 현상을 최소화하려는 시도의 일환입니다.

Uncanny Valley 이론(불쾌한 골짜기)

이 이론은 1970년대 일본의 로봇 공학자 마사히로 모리(Masahiro Mori)에 의해 처음 제안되었습니다. 모리는 로봇이나 인공적인 존재가 인간과 비슷할수록 사람들은 그것들에게 더 친근감을 느낄 것이라고 가정했습니다. 하지만, 어느 정도까지 인간을 닮은 후에는 갑자기 친근감이 급격히 떨어지며, 오히려 불쾌감이나 불안감을 느끼게 된다고 주장했습니다. 이 때의 불쾌감을 느끼는 지점을 “불쾌한 골짜기(Uncanny Valley)”라고 명명했습니다.

불쾌한 골짜기 이론에 따르면, 로봇이나 인공적인 존재가 인간과 매우 유사하되 완벽하게 동일하지 않을 때, 사소한 차이들이 오히려 부자연스럽고 소름 끼치게 느껴집니다. 이러한 차이는 움직임, 표정, 음성 등 다양한 요소에서 발생할 수 있습니다. 인간의 뇌는 이러한 미묘한 비정상성을 감지하고, 그 결과로 불쾌감이나 공포를 느낄 수 있습니다.

이 이론은 로봇 뿐만 아니라, 고도로 사실적인 컴퓨터 생성 이미지(CGI) 캐릭터, 애니메트로닉스, 인형 등 다양한 분야에서도 적용됩니다. 특히 엔터테인먼트 산업에서 캐릭터 디자인이나 애니메이션 제작 시 이러한 불쾌한 골짜기를 피하기 위한 노력이 중요한 고려 사항 중 하나입니다.

불쾌한 골짜기 이론은 인간과 기계 간의 상호작용 설계, 로봇 공학, 가상 현실, 게임 디자인 등 여러 분야에서 중요한 지침으로 활용되고 있습니다. 이 이론을 이해하고 적용함으로써, 개발자와 디자이너는 인간 사용자가 더 긍정적으로 반응하고 수용할 수 있는 인공적인 존재와 인터페이스를 만들 수 있습니다.

여기서 인간의 얼굴 표정을 실시간으로 따라하는 콜럼비아 대학의 최신 연구를 소개합니다.

인간-로봇 얼굴 동시 표현

미소는 인간이 나타낼 수 있는 가장 사랑스러움의 표현이지만, 두 사람이 서로에게 동시에 미소 지을 때 그 효과는 배가됩니다. 이러한 상호작용은 두 사람이 각자의 감정뿐만 아니라 심리적 상태까지도 서로 이해하고 있다는 것을 암시합니다. 이는 상호 인식을 통해 “동일한 파장”에 있음을 확인시켜주며, 그 결과 감정적 유대감을 더욱 깊게 합니다. 사회적 조화를 이루는 행동, 예를 들어 동시에 미소 짓는 행위는 서로의 이해와 감정을 공유함으로써 성공적인 사회적 상호작용에 필수적입니다. 실제로, 동시에 나타나는 미소는 그 진실성이 더 높을 가능성이 있습니다.

얼굴 표정은 심리학, 신경과학, 로봇 공학 등 광범위한 분야에서 연구되어 왔습니다. 다른 사람의 얼굴 움직임을 관찰하는 것만으로도 비의도적으로 비슷한 움직임이 나타날 수 있는데, 이는 대화 중 조화와 진정성을 반영할 수 있습니다. 하지만, 모든 상황에서 이러한 미러링이 일어나는 것은 아니며, 때로는 상반된 감정 표현이 나타날 수도 있습니다. 미묘하고 눈에 띄지 않는 동기화는 사회적 결속과 이해를 촉진하며, 이는 집단 생존에 중요한 진화적 이점을 제공합니다.

전 세계 다양한 연령층, 민족, 문화적 배경을 가진 사람들은 비슷한 얼굴 움직임을 통해 유사한 마음의 상태를 표현하는 경향이 있습니다. 그러나 얼굴 표정의 표시와 인식에서 문화적 차이가 존재한다는 것이 입증되었습니다. 얼굴 움직임이 일정 부분 보편적으로 인식될 수는 있지만, 그 표현과 해석은 문화에 따라 다를 수 있습니다. 또한, 인종 간, 연령 간 차이가 이러한 표현에 대한 인식에 영향을 미칠 수 있습니다.

얼굴 표정은 대체로 내면의 감정을 반영한다고 여겨지며, 표정 형성과 감정 경험이 거의 동시에 발생한다고 가정합니다. 하지만, 이 관계가 항상 단순하지 않다는 것이 연구를 통해 제시되었습니다. 인간과 로봇 간 상호작용에서, 표정의 예측 가능성이 매우 중요합니다. 대부분의 로봇은 인간의 감정을 인식하고 그 표현이 끝난 후에만 반응할 수 있으며, 이는 예상되는 표현에 따른 진정성과 즉각성을 결여하고 있습니다.

로봇이 진정으로 감성 지능이 있음을 인식시키기 위해서는 얼굴 표정을 예측할 수 있어야 합니다. 이는 사회적 유대감 형성에 중요한 역할을 하는 미소에 특히 중요합니다. 상대방의 감정 상태를 이해하고 예측하여 나타나는 미소는 인간과 로봇 간의 진정한 감정적 유대를 형성하는 데 필수적입니다. 로봇의 예측 모델은 인간-로봇 상호작용을 인간 간 상호작용에 더 가깝게 만들어, 사회적 소통의 격차를 해소하고 통합된, 감정적으로 지능적인 로봇 시스템을 가능하게 할 것입니다.

최근 몇 년 간 인공지능의 발전에도 불구하고 얼굴 로봇 분야에서는 상대적으로 큰 진전이 없었습니다. 얼굴 애니마트로닉스 개발에는 복잡한 하드웨어와 소프트웨어 설계가 요구됩니다. 과거에는 인간과 유사한 인상을 주는 얼굴 로봇이 개발되었지만, 이들은 주로 사전에 프로그램된 얼굴 애니메이션에 의존했습니다. 최근의 발전은 감정의 다양한 표현을 확장하고 개선하는 데 초점을 맞추고 있습니다, 이는 더 인간과 같은 상호작용을 만들어내기 위한 단계입니다.

Eva와 같은 이전의 로봇 플랫폼은 자신의 얼굴 표정을 모델링할 수 있는 능력을 가진 초기 예입니다. 그러나 더 설득력 있는 사회적 상호작용을 위해서는 로봇이 얼굴 표정뿐만 아니라 상대방의 표정도 예측할 수 있어야 합니다. Emo라는 새로운 의인화된 얼굴 로봇은 하드웨어가 크게 개선되어 Eva에 비해 훨씬 더 많은 자유도와 비대칭 얼굴 표정을 가능하게 하는 26개의 액추에이터를 장착하고 있습니다. Emo는 교체 가능한 얼굴 피부를 변형하기 위해 케이블 대신 직접 부착된 자석을 사용합니다, 이는 보다 정밀한 얼굴 표정 제어를 가능하게 합니다. 또한, Emo는 내장된 카메라를 통해 인간과 같은 시각적 인식을 가능하게 하며, 상대방의 얼굴 표정을 더 정확히 예측할 수 있습니다. 이러한 개선을 통해 Emo는 Eva보다 훨씬 발전된 얼굴 로봇이 되었습니다. Emo는 자신의 얼굴 표정과 상대방의 얼굴 표정을 예측하는 두 가지 신경망으로 구성된 학습 프레임워크를 통해, 인간과 로봇 간의 동시적인 표현을 실현합니다. 이 방법은 인간-로봇 상호작용에서 더욱 세밀하고 진정성 있는 소통을 가능하게 합니다.

이 연구는 26개의 액추에이터와 교체 가능한 부드러운 실리콘 얼굴 피부를 탑재한 의인화 얼굴 로봇을 개발하고 이를 통해 달성한 결과들을 다룹니다. 로봇의 얼굴 피부는 다양한 외관과 유지 관리를 위해 다른 디자인으로 교체 가능합니다. 예를 들어, 로봇의 얼굴 색상을 연한 파란색에서 나선형 표시가 있는 더 어두운 파란색으로 변경할 수 있습니다. 로봇의 얼굴은 눈 모듈, 입 모듈, 목 모듈 등 세 개의 하위 조립 모듈로 구성됩니다.

눈 모듈은 안구, 눈썹, 눈꺼풀의 움직임을 제어하며, 각 눈에는 고해상도 RGB 카메라가 내장되어 있습니다. 이 카메라는 로봇이 주변 환경을 인식하고 사람의 얼굴을 추적하는 데 사용됩니다. 입 모듈은 인간 입술의 복잡한 움직임을 모방하기 위해 설계되었으며, 여러 수동 관절과 연결 장치를 통해 자연스러운 변형이 가능합니다.

연구팀은 로봇이 인간의 얼굴 표정을 생성하도록 자기 지도 학습 프로세스를 통해 훈련시키는 방법을 제안했습니다. 이 과정에서 로봇은 거울을 통해 자신을 관찰하며, 운동 명령과 그 결과로 나타나는 표정 사이의 관계를 학습합니다. 로봇의 얼굴 표정은 19개의 모터로 제어되며, 대칭적으로 배치된 모터를 통해 표정을 조절합니다.

로봇은 자체 얼굴 이미지를 캡처하고 얼굴 랜드마크를 추출하여 데이터를 수집합니다. 이 데이터를 사용해 로봇은 주어진 얼굴 랜드마크에 해당하는 모터 명령을 생성할 수 있는 역모델을 훈련합니다. 추가로, 로봇이 실제적이고 시기적절한 표정을 얻기 위해 얼굴 표정을 미리 예측하는 예측 모델도 개발되었습니다.

연구 결과는 로봇이 다양한 인간 참가자와 다양한 얼굴 표정에 걸쳐 일반화할 수 있음을 보여줍니다. 로봇은 초기 미묘한 변화를 사용하여 인간의 목표 얼굴 표정을 성공적으로 예측하고, 해당 모터 명령을 신속하게 생성하여 인간 참가자와 동일한 얼굴 표정을 생성할 수 있습니다. 이 연구는 표정 인식과 생성 능력이 향상된 의인화 얼굴 로봇의 가능성을 시사합니다.

DOI: 10.1126/scirobotics.adi4724 / 사이언스 참조

이 기술적 진보의 과정은, 상상력에서 시작해 현실의 혁신으로 이어지며, 우리가 로봇과 공존하는 미래를 꿈꾸고 형성하는 데 있어 중요한 역할을 하고 있습니다. 아메카와 같은 휴머노이드 로봇의 개발은 이러한 상상력을 구현하며, 그 과정에서 인간과 로봇 간의 상호작용이라는 새로운 지평을 열고 있습니다.

이는 단순히 기술적 성과를 넘어서, 교육, 고객 서비스, 건강 관리 등 인간의 삶의 질을 향상시키는 다양한 방식으로 우리의 일상에 깊숙이 통합될 수 있는 무한한 가능성을 가지고 있습니다.

특히, 인간의 표정을 모방하는 능력은 로봇과 인간 사이의 소통을 더욱 풍부하고 의미 있게 만들어, 감정적 유대를 강화하고 상호 이해를 촉진하는 데 기여합니다. 이는 로봇이 단순한 도구를 넘어, 우리 삶의 동반자로서의 역할을 수행할 수 있음을 의미합니다. (개인적으로는 간호분야의 휴머노이드 로봇-간호로봇-의 개발이 가장 가능성이 있어 보이는 분야입니다.)

따라서 아메카 혹은 소개한 최신 연구들은 인간과 유사한 로봇이 가져올 수 있는 무한한 가능성의 시작일 것입니다. 우리가 이러한 기술적 발전을 어떻게 받아들이고 활용하는지에 따라, 인간과 로봇이 공존하는 미래의 모습은 더욱 풍부하고 다채로운 형태로 발전할 것입니다. 이는 단순한 상상의 영역을 넘어, 우리 모두가 머지 않아 느낄수 있는 새로운 현실을 창조하는 과정이라는 생각이 듭니다. 우리의 꿈과 상상이 기술 혁신을 통해 현실이 되는 이 시대에, 인간과 로봇의 공존은 더욱 의미 있고, 미래를 기대하게 하는 중요한 시점이 아닐까 합니다.