부피 변형 로봇 MOFU: 팽창·수축 움직임이 인간 인식에 미치는 애니머시 효과

초록

본 논문은 단일 모터와 ‘Jitterbug’ 기하학적 변환 구조를 이용해 직경을 210 mm에서 280 mm까지 변화시키는 부피 변형 로봇 MOFU를 설계·제작하고, 온라인 설문을 통해 팽창·수축 움직임이 인간의 애니머시(생명감) 인식에 미치는 영향을 실증하였다. 정지 상태에서의 부피 변화와 회전이 각각 애니머시 점수를 상승시켰으며, 이동 중에도 부피 변화를 결합하면 단순 이동보다 높은 애니머시를 유발한다는 결과를 제시한다.

상세 분석

MOFU는 기존 로봇이 주로 관절 기반의 움직임이나 외형적 유사성에 의존하던 점을 보완하고, 살아있는 유기체가 보이는 전신 부피 변화(호흡, 부풀기 등)를 물리적으로 구현한다는 점에서 혁신적이다. 핵심 메커니즘인 Jitterbug 구조는 다면체를 회전시키면서 전체 부피를 연속적으로 변형시키는 기하학적 변환을 이용한다. 이 구조는 20 mm 리드스크류와 직접 구동형 모터 하나만으로 직선적인 팽창·수축을 가능하게 하며, 회전 유발을 차동 구동 휠이 보정해 실제로는 순수한 부피 변화만을 보여준다. 설계 단계에서 수학적 모델을 도출해 Z(수직 변위)와 Θ(회전 각) 사이의 비선형 관계식을 제시하고, 실험적으로 ArUco 마커와 정밀 측정 지그를 이용해 모델의 정확성을 검증하였다.

전기·제어 시스템은 Raspberry Pi Zero 2 W와 PID 제어를 통해 모터 위치를 정밀히 제어하고, 적외선 거리 센서를 내장해 향후 접촉 기반 인터랙션 확장이 가능하도록 설계되었다. 소음 억제를 위해 기어 없는 직접 구동과 저소음 가이드 레일을 채택했으며, 실내 환경에서 50 dB 이하의 작동 소음을 기록, 인간-로봇 상호작용 시 기계적 인지 방해를 최소화한다.

사용자 평가에서는 Godspeed Questionnaire의 Animacy 하위 척도를 활용해 4가지 실험 조건(정지‑확장·수축, 정지‑회전, 이중 로봇 동시 제시, 이동‑확장·수축 결합)을 비교하였다. 통계 분석 결과, 팽창·수축과 회전은 각각 독립적으로 애니머시 점수를 유의하게 상승시켰으며, 두 효과를 동시에 적용해도 추가적인 상승 효과는 없었다. 두 대의 로봇을 동시에 보여주는 이중 조건에서는 단일 로봇 대비 애니머시 차이가 없었으며, 이는 부피 변화 자체가 인간의 주의를 끄는 주요 요인임을 시사한다. 이동 중에 부피 변화를 결합했을 때는 순수 이동보다 높은 애니머시 점수를 얻어, 동적 상황에서도 부피 변형이 인간의 생명감 인식에 긍정적 영향을 미침을 확인했다.

이 연구는 (1) 단일 액추에이터로 전신 부피 변형을 구현한 로봇 플랫폼 제공, (2) 부피 변형이 인간의 애니머시 인식에 미치는 효과를 실증, (3) 다중 로봇 상황에서 부피 변형이 기대 효과를 보이지 않는 한계 등을 제시한다. 향후 연구에서는 부피 변형과 감정 표현(색상·소리·촉감) 연계, 실시간 접촉 기반 인터랙션, 그리고 장기 치료 환경에서의 효과 검증이 필요하다.