로봇이 열어가는 미래농업

The robotic future of agriculture

로봇이라고 하면 모르는 사람이 없을 정도로 머리에 떠오르는 이미지가 많을 겁니다.

어린 시설 로봇만화 몇 권 보지 않은 사람이 없을 것이고 성인이 되어서도 SF영화를 보고 로봇을 많이 접해 보셨을 겁니다. 그래서 로봇이 어떤 것인가에 대해 따로 설명할 필요는 없을 것이라고 생각합니다.

물론 로봇에 대해 좀 더 정확히 이해하기 위해서는 로봇의 정의라든가 로봇의 구성요소와 같은 것을 알 필요가 있습니다만 저희들은 로봇에 대해 배우는 것이 아니라 이 로봇이 농업에 어떻게 사용되고 미래농업에 어떤 영향을 미치는가에 대해 설명을 하려는 것이기 때문에 로봇이 어떤 것인지 머리에 이미지를 그리는 수준이면 충분하다고 생각합니다.     

로봇이라는 개념이 등장한 것은 오래되었지만 로봇이 우리 생활에 직접적인 영향을 주기 시작한 것은 그리 오래되지 않았습니다.

공상과학 소설 속에 이야기되던 로봇이 기술의 발달과 함께 현실화되었습니다. 그리고 기술의 발달은 로봇 생산에 들어가는 비용을 점점 줄였습니다.

발달된 기술에 저렴한 비용으로 생산된 로봇은 다양한 형태로 우리 생활 속에 스며들고 있습니다.

인간이 접근할 수 없는 곳에 접근할 수 있고, 인간과 같이 휴식이 필요한 것도 아니고, 반복작업에도 실수하지 않는 로봇의 특징은 먼저 제조업을 비롯한 산업에 자동화라는 이름으로 빠르게 스며들었습니다. 특히 사람에게 위험하거나, 사람이 들기 어려운 무거운 물건을 이동하거나, 사람이 수행하기 어려운 정밀한 작업이 다수가 포함된 제조업에서는 로봇의 도입은 기업의 경쟁력이 되고 있습니다.

이런 로봇을 농업에 활용하려는 노력은 미국이나 영국, 일본 등 선진국의 경우는 70년대부터 꾸준히 진행을 해오고 있습니다.

선진국의 경우 산업화가 진행되며 농업인력이 줄어들고 경작해야 할 농지면적이 늘어나며 인력을 대체할 수 있는 로봇이 연구되었습니다.

우리나라는 선진국에 비해 늦었지만 거의 같은 방향으로 산업화가 진행되며 농업인력이 빠르게 줄어들었고 농업 인력을 대체할 로봇에 대한 수요가 발생했습니다.

다만 우리나라가 미국, 독일, 프랑스와 같은 선진국과 다른 점은  농가당 경지면적이 영세하기 때문에 인력부족을 대체할 만한 자본이 없어 농업용 로봇의 도입이 쉽지 않은 상태라는 것입니다.

우리나라의 농업용 로봇 발전경로는 우리나라와 비슷한 환경의 일본의 경로를 따라가고 있습니다.

로봇을 창조적인 혁신제품의 하나로 생각하고 다양한 다른 산업과 융합을 통해 새로운 로봇시장을 창출한다는 개념으로서 로봇의 융합대상이 되는 산업 중 하나로 농업을 생각하는 것입니다. 즉 로봇의 경우 직접 농업지원으로서 농업용 로봇을 지원하는 것이 아니라 로봇산업을 지원하고 활성화시킨다는 관점에서 농업용 로봇을 지원한 것입니다.

로봇산업과 다른 산업과의 융합에 대한 국가적인 지원은 라이프 스타일의 변화와 소비트렌드의 변화 속에서 청소로봇, 교육용 로봇 등 다양한 수요를 발생시키며 상당한 기여를 했습니다만 농업용 로봇의 경우는 앞에서도 언급했지만 우리나라 농업이 가지는 소규모 농업이라는 한계로 인해 소비시장이 형성되지 않아 아직 뚜렷한 성과가 없는 상태입니다.

최근 몇 년 동안 스마트팜과 농업에 인공지능 도입이라는 이슈가 연결되며 로봇이 관심이 높아지고 있습니다만 그전에 농업용 로봇은 대부분 연구자 중심으로 연구결과만 있었고 현실적으로 현장에서 사용되는 로봇은 많지 않았습니다. 그러나 고령화와 농업인력의 감소라는 어려움을 겪고 있는 우리나라 농업의 생산 수준을 현재 수준에서 장기적으로 유지하거나 높이기 위해서는 농업용 로봇의 중요성은 나날이 증가하고 있습니다.     

우리나라의 농업용 로봇은 비슷한 상황을 먼저 격은 일본을 따라가고 있습니다.

일본은 생물계특정산업기술연구지원센터 줄여서 생연센터라는 곳에서 농업용 로봇을 많이 연구하고 있습니다.

이 생연센터에서 농업용 로봇을 차량계로봇과 매니퓰레이터계 로봇 2가지로 구분했습니다.

차량계로봇은 말 그대로 바퀴가 달려 있고 자동차처럼 움직이는 로봇이라고 할 수 있습니다.

요즘 많이 이야기되고 있는 자율주행이 가능한 차량이라고 할 수 있습니다.

매니퓰레이터계 로봇은 한마디로 인간의 팔과 같은 역할을 하는 로봇을 이야기합니다.

차량계로봇은 우리가 벼농사나 밭농사를 할 때 사용하는 트랙터나 이양기 같은 것을 무인화해 작업을 하는 로봇입니다.

매니퓰레이터계 로봇은 시설온실 즉 요즘 말하는 스마트팜에서 토마토나 딸기 등의 과채류를 수확하는 수확로봇이나 야채 묘목의 접목 작업을 자동화 또는 무인으로 수행하도록 하는 로봇입니다.

차량계로봇의 형태는 다들 머릿속에 떠올릴 수 있을 것입니다.

우리가 자주 보는 트랙터나 이양기가 사람이 없이 없이 혼자서 작업을 하는 것을 상상하시는 됩니다.

매니퓰레이터계 로봇은 앞서 언급한 것과 같이 사람의 팔과 같이 동작하고 사람의 팔이 하는 작업을 대신하는 로봇팔이라고 생각하시면 됩니다.

사람이 팔과 손을 이용해 딸기를 수확한다거나 토마토를 수확하고 접목을 하는 것을 로봇팔이 한다고 상상하시면 됩니다. 

기술이 발달하면서 [차량계 로봇]과 [매니퓰레이터계 로봇] 이 2가지 분류 외에도 한 가지 분류가 더 추가되고 있습니다.

우리가 이야기하는 스마트팜 전체를 하나의 로봇으로 보는 [ 공간로봇]이라는 개념이 있습니다.

스마트팜에 센서, 컨트롤러, 액츄에이터의 로봇 3요소를 공간 내에 분산 배치해 작물의 파종에서부터 시작해 수확까지를 자동화하는 것을 공간로봇이라는 개념으로 정리한 것입니다.

제가 경제성 있는 스마트팜의 조건에서 자동화의 사례로 언급한 미국의 피프티시즌과 같은 회사의 스마트팜이 바로 공간로봇의 대표적인 사례라고 할 수 있습니다.

어떻게 보면 [메뉴퓰레이터계 로봇]도 이 공간로봇의 구성으로 들어갈 수 도 있습니다만 아직은 이 공간로봇의 개념이 일반화되고 있는 것 같지는 않습니다.   

      

[그림]에서 보시는 사진이 차량계 로봇입니다.

차량계로봇은 트랙터나 이양기 등 기존 농업기계의 주행부, 작업부를 제어할 수 있도록 개조하고 그 위에 무인 주행이나 작업을 지원하는 항법센서, 컨트롤러를 장착한 로봇입니다. 

[그림]에서 보시면 아시겠지만 기본적인 형태는 우리가 아는 트랙터나 이양기 등 농기계에 사람만 탑승하지 않은 것입니다. 사실 이런 차량계로봇은 거의 20년 전에 만들어졌습니다. 그리고 지속적으로 센서와 컨트롤러, S/W가 계속 업데이터 되었을 뿐 그 구조는 비슷한 상태입니다.

우리나라도 시간은 좀 늦지만 비슷한 로봇이 개발되고 있습니다. 다만 일본이나 우리나라나 개발된 차량계 로봇이 실제로 농업현장에서는 아직 사용되고 있지는 않습니다.

기술적인 문제도 있겠습니다만 농지규모가 작아서 그 필요성이 떨어지는 것이 아닌가 합니다.   

 

[그림]에서 보시는 사진은 미국 일리노이대학교에서 개발한 테라센티아라는 차량계로봇과 영국의 하퍼아담스대학교의 블랙모어 교수가 개발한 차량계 로봇입니다.

물론 미국이나 영국에서는 그냥 농업용 로봇이라고 하지 차량계로봇이라고는 하지 않습니다만 구분의 편의상 바퀴가 달려 자동으로 이동하는 로봇은 모두 차량계 로봇으로 구분해 보았습니다.    

최근에 관심을 가장 많이 받고 있고 다양하게 개발되고 있는 것이 이 메뉴퓰레이터계 로봇입니다.

[그림]에서 보시는 것과 같이 로봇이 알아서 익은 딸기를 판단해서 수확하고 포도를 수확하고 가지를 수확하는 것을 볼 수 있습니다.

처음 접하시는 분들은 신기한 일이겠지만 이것 역시 일본의 경우는 거의 20년 전부터 연구되어 개발이 되었고 우리나라 역시 꽤 오래전부터 연구되어 개발되었습니다.

물론 차량계로봇과 마찬가지로 아직은 현장에서 실질적인 적용은 안되고 있습니다.

차량계로봇과 마찬가지로 작은 농지규모로 인한 영세한 농가 문제도 있고 기술적인 문제도 있었습니다.

이 매니퓰레이터계 로봇은 대상물을 검출하는 시각부와 작업을 하는 매니퓰레이터부(암부) 그리고 여기에 부가된 핸드(앤드 이펙터) 부로 구성되는데 최근 카메라와 이미지 인식기술 그리고 인공지능이 발전하며 시각부와 정밀제어가 가능한 소프트핸드 기술이 적용되어 빠르게 적용을 준비하고 있는 것으로 알고 있습니다.

우리나라에 농업 로봇 스타트업도 생겨 큰 기대를 가지고 있습니다.    

앞서 언급한 로봇의 분류에서 [차량계로봇]과 [매니퓰레이터계 로봇] 외에 센서, 컨트롤러, 액츄에이터의 로봇 3요소를 공간 내에 분산 배치한 [공간로봇]의 개념을 이야기드렸는데 [그림]에서 보시는 사진이 제가 생각하는 공간로봇의 대표적인 사례입니다.

제가 앞시간의 경제성 있는 스마트팜의 조건에서 자동화의 사례로 말씀드리고 공간로봇의 사례로 이야기드린 피프티시즌 보다 상당히 앞서 만들어진 곳입니다.

     

[그림]은 일본 오사카에 있는 오사카부립대학교의 식물공장연구센터에 설치된 시설인데 중앙에 있는 청색의 크레인이 전후 상하로 움직이며 식물을 재배하고 관리 모니터링합니다.

자동창고에 물건보관박스가 아니라 식물재배베드가 있다고 생각하시면 됩니다.

그런 시설에 식물을 관리할 수 있는 센서, 컨트롤러, 액츄에이터를 설치한 것이죠.

일본에서는 이런 형태로 하나의 방 즉 하나의 공간에 설치된 시설이 그대로 자동화하는 것을 공간로봇이라는 개념으로 이야기하고 있습니다. 

        

[그림]에서 보시는 것은  2012년 우리나라에서 식물생육관리로봇이라는 이름으로 개발된 공간로봇입니다.

앞서 로봇의 중요성에서 잠시 언급했습니다만 우리나라에서 로봇산업의 발전을 위해 여러 연관산업과 융합을 추진했습니다.

이 과정에서 일본의 공간로봇 개념이 포함되어 장표에서 보시는 것과 같은 식물생육관리로봇이라는 로봇이 10년 전에 만들어졌습니다.

[그림]에서 보시는 것과 같이 현재는 밀폐형 스마트팜, 그때는 식물공장이란 곳에서 작물에 대한 재배기술을 소프트웨어로 해서 식물의 정식 후부터 수확 전까지 식물의 생육 전반을 자동화하여 관리할 수 있습니다.

전체 구성은 중앙에 상하 전후로 움직이는 크레인에 포함되어 공간 전체의 환경을 모니터링하고 관리하는 생육관리구동부와 생육관리구동부 좌우에 만들어진 적치대, 레일, 양액공급시스템, 광원, 환경관리시스템이 고정된 환경제어 구동부로 나눌 수 있습니다.

이 식물생육관리로봇이라는 것은 일본의 공간로봇 개념을 가져왔습니다만 그 시작은 앞서 언급한 일본의 공간로봇 사례보다 빨리 만들어졌습니다. 

   

[그림]에서 보시는 것처럼 이미 2007년부터 버섯을 상업적으로 재배하는 것에 사용되어 높이 12m 공간에서 사람 없이 로봇으로 버섯을 재배하는 작업을 하고 있었습니다.

수직농장의 경우 재배단을 높이면 높일수록 공간에 대한 효율이 증가하는데 일정한 높이 이상이 되면 식물의 생육을 관리하기 어려워집니다.

이것을 해결하는 것이 이 식물생육관리로봇이라고 할 수 있습니다.

물론 사업이 직접적으로 들어가지 않기 때문에 오염위험도 많이 줄이는 것이 가능합니다.

식물생육관리로봇이라는 용어는 국내에서 2012년 범부처로봇시범사업에서 농업용 로봇의 하나로 제안되어 등장했다.

이 "식물생육관리로봇"이라는 용어는 상대적으로 최근 몇 년 사이에 주목받기 시작했는데 농업 자동화 및 스마트팜 기술이 발전함에 따라 식물 생육 관리를 위한 로봇들이 등장하고 있으며, 이를 통해 식물들의 건강 상태를 모니터링하고 유지하는 데 도움을 주는 기술이 발전되고 있기 때문이다.

식물생육관리로봇은 말 그대로 식물의 생장 과정을 추적하고, 물과 영양분을 제공하며, 식물들의 건강을 모니터링하는 등 다양한 기능을 수행할 수 있다.

농업에 로봇을 사용한다는 것은 앞서 이야기한 시간 경제성 있는 스마트팜의 조건에서 이야기한 자동화와 연결되는 것입니다.    

[그림]에 나와 있는 사진은 여섯 번째 시간 경제성 있는 스마트팜의 조건에서 자동화의 사례로 이야기한 미국의 플랜티의 사례입니다.

미국 플랜티의 사례는 공간로봇 내에 매니퓰레이터계 로봇이 포함되어 있는 것도 볼 수 있습니다.

우리나라에서 개발한 식물생육관리로봇과 유사한 형태가 미국에도 있습니다.    

[그림]에서 보시는 사진은 앞서 여섯 번째 시간 경제성 있는 스마트팜의 조건에 자동화 사례로 이야기한 미국의 피프티시즌의 사례입니다.

이곳은 종자의 파종에서부터 재배관리 전 과정 마지막에는 수확하고 포장하는 부분까지 자동화를 했습니다.

로봇을 포함해 농업에 적용되는 다양한 기술들은 완전히 새로운 기술이 아닙니다.

로봇산업의 발전을 위해 다른 산업을 융합하는 과정에서 농업용 로봇이라는 것이 나온 것과 같이 농업에 적용되는 다양한 기술은 앞선 기술이 농업에 융합된 것입니다.

우리나라는 농업에 있어 여러 가지 제한 요인으로 조금 늦어지고 있지만 다른 첨단산업기술에 있어서는 세계 수위권의 기술을 가지고 있습니다.

결국 기반은 충분하다는 것이며 마음먹고 노력한다면 그 어떤 선진국 보다 빠르게 미래농업에 로봇이 활약하는 모습을 볼 수 있을 것이라 기대합니다.