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    신진연구자인터뷰는 기계및 건설분야의 세계적인 과학 학술지에 논문을 게재한 한국인 연구자들의 연구성과와 연구자 정보를
    여러 연구자와 기관 등에 소개하고자 기획되었습니다. 대상은 주로 대학원 석사이상의 최근 5년이내 관련분야의
    대표 학술지나 학술대회에 논문을 투고한 사람입니다. 대상문의(ariass@naver.com)

    • 류석창 (Ryu, Seok Chang) 교수
      Embedded Physical Intelligence for Biomedical Robotic Devices
      류석창 (Ryu, Seok Chang) 교수(BioRobotics Lab., Texas A&M Univ.)
      이메일:scryu at tamu.edu
      2123 4 23

    1. 본인의 연구에 대해서 소개를 부탁 드립니다.

    저는 Stanford University 에서 석박사 학위를, 그리고 Harvard Medical School & Boston Children’s Hospital 에서 Postdoctoral Research Fellow 과정을 거쳐 2015년 가을부터 Texas A&M University 기계공학과에서 조교수로 일하고 있습니다.

     

    주된 연구 분야는 Medical Robotics 이고, 주제는 Embedded physical intelligence for biomedical robotic devices 입니다. Physical Intelligence (PI) 는, 현재 Max Planck 연구소에 있는 Prof. Metin Sitti 가 사용하는 용어를 소개 받아 차용했는데, robots 에 있어서 Artificial/Computational Intelligence (AI) 의 physical counterpart 에 해당하는 개념으로 쓰고 있습니다. 비교를 하자면, 최근 더욱 주목을 받는 AI 가 학습을 통해 robots 에 지능을 부여하거나 향상시키고자 하는 분야라면, 제 연구는 학습을 통하지 않는 인체의 반사적인 행동이나 본능처럼, robots 의 physical system 에 심어진 (embedded) PI 를 통해 지능 또는 기능(function) 을 부여하거나 향상시키겠다는 것입니다. 특히 이런 Embedded PI 를 통해서 1) robots 의 intelligence/function 이 향상되고, 2) 인간의 cognitive load 에 해당한다고 볼 수 있는 control/management load 를 줄일 수 있을 것이라는 저의 가정에서 시작되었습니다. 개인적인 연구 경험에 의하면 physical system 의 한계가 주된 bottleneck 인 현 Surgical Robotics 연구에서 특히 중요한 주제라고 생각되며, 차후 Biomimetic Robotics 나 Rehabilitation Robotics 와 같은 다른 분야에도 적용될 수 있을 것이라고 봅니다. 이렇게 Embedded PI 연구에 관심이 있는 저의 그룹 (TAMU BioRobotics Laboratory) 에서는, 일반적인 Robotics 그룹과는 달리 Mechanics, Materials, Advanced Manufacturing (Embedding은 Assembly 와 다른 개념이기 때문에 새로운 제작법이 필요합니다.), Design 에 큰 관심을 갖고 있습니다.

    Embedded PI 연구의 예로써, 제가 박사과정에서 개발했었던 active needle 을 들 수 있습니다. 기존의 Robotic needle steering 은 medical needle 의 정확한 targeting 을 위해 robot manipulator 가, 어떠한 지능도 갖추지 못한 passive needle 을 잡고 steering 을 하는 개념이었습니다. 따라서, robot 이 직접적으로 control 하는 부분 (needle handle) 과 실제로 경로를 결정하는 부분 (needle tip) 이 서로 떨어져 있고, 그 중간에서 일어나는 기계적 현상에 대한 mechanics model 이 없이는 정확한 control 이 애초에 불가능한 접근입니다. 이 근본적인 한계를 해결하기 위해, steerable tip joint 와 active element 를 갖추고 있고, tip orientation 을 직접적으로 control 할 수 있는 smart/functional/active/robotic needle 이라는 개념을 제가 처음으로 제안하였고, 직경 1.7mm 에 해당하는 prototype 을 제작하는 연구를 수행하였습니다. 그리고 active needle 의 개념을 이용한, 다양한 steerable surgical devices 에 대한 연구 경험을 바탕으로, 최근에는 sensorized tendons for ultra-minimally invasive surgical devices 을 개발하여 현재 제 학생들과 논문을 준비 중에 있습니다. Surgical Robotics 에서 많이 쓰이는 tendon actuator 가 intrinsic force sensing capability 를 갖게 되는 것으로 역시 Embedded PI 의 예라고 볼 수 있습니다.





    제 연구실에서 수행 중인, 다른 Embedded PI 연구들은 앞서 언급된 actuator & sensor 처럼 robots 의 physical system 을 이루는 기본 요소이지만 상대적으로 주목을 받지 못하고 있었던 structure 와 joint 에 초점을 맞추고 있습니다. 특히, 기존의 homogenous/isotropic materials 또는 reinforced/composite structure 로는 제한된 크기에서 구현하기 어려운 기계적 성능을 smart materials, advanced manufacturing, material processing 등을 결합하여 구현하려 하고 있습니다. 제가 Postdoctoral Fellow 과정 동안, auxetic (negative Poisson’s ratio) structure 를 surgical device 에 사용할 것을 제안하기도 했는데, 이 개념을 한 단계 발전시켜서 functional/customizable robotic structure 와 embedded robotic joint 를 개발하고 있고 역시 논문을 준비 중입니다. 마지막으로, Embedded PI 를 지닌 robotic device 는, 기존의 Surgical Robotics 에서 다루고 있지 않았던 새로운 medical procedure 를 가능하게 합니다. 여전히 문제 정의 단계이기에 자세한 설명을 드릴 수는 없지만, Robotics, Fluid Mechanics, Materials, Life Science, Physics, Optics 등의 다양한 학제들이 결합된 새로운 개념의 Cancer treatment 기술 개발을 위한 연구가 준비 중에 있습니다. 이 연구가 성공한다면 Medical Robotics 의 외연을 크게 확장시킬 수 있을 것으로 기대합니다.

    다시 정리하자면, 이렇게 Embedded PI 를 갖는, 그리고 기존에는 존재하지 않았던 새로운 개념의 robots, robotics devices, biomedical applications 를 개발하는 것이 제가 하는 연구입니다.

    참고로 제가 정의한 Embedded PI 의 개념을 기준으로 본다면, 제가 학위를 했던 Stanford University 의 Biomimetics and Dexterous Manipulation Laboratory (Prof. Mark Cutkosky), Harvard University 의 Microrobotics Laboratory (Prof. Robert Wood), 그리고 서울대의 Biorobotics Laboratory (조규진 교수님)  연구실이 대표적으로 PI 에 중점을 둔 Robotics 연구실들이라고 할 수 있습니다.





    2.  본인의 최근, or 대표 논문을 소개해 주세요.

    1. S. C. Ryu, Jesung Ko, Z. F. Quek, P. Renaud, R. J. Black, B. L. Daniel, Kyu-Jin Cho, M. R. Cutkosky, “Design of an Optically Controlled MR-compatible Active Needle”, IEEE Transactions on Robotics, 31(1), 1-11, 2015

     2. C. Kim, S. C. Ryu, and P. E. Dupont, “Real-time Adaptive Kinematic Model Estimation of Concentric Tube Robot”, IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), 2015

     3. S. C. Ryu and P. E. Dupont, "FBG-based Shape Sensing Tubes for Continuum Robots", IEEE International Conference Robotics and Automation (ICRA), 2014

     4. S. C. Ryu, Z. F. Quek, P. Renaud, R. J. Black, B. L. Daniel and M. R. Cutkosky, “An Optical Actuation System and Curvature Sensor for a MR-compatible Active Needle”, IEEE International Conference Robotics and Automation (ICRA), 2012

     5. S. C. Ryu, P. Renaud, R. J. Black, B. L. Daniel and M. R. Cutkosky, “Feasibility Study of an Optically Actuated MR-compatible Active Needle”, IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), 2011



    3. 연구중에 어떤 극복해야 할 문제가 있었고 이를 어떻게 해결하셨는지?

    Medical Robotics 분야에서 주로 접하게 되는 Multidisciplinary 문제를 풀기 위해서는, 우선 문제를 잘 이해하고 풀어낼 수 있는 형태로 정의해야 합니다. 이렇게 정의된 문제를 통해 새로운 device 나 technology 를 위한 design requirements 와 limitations 등을 찾아내는 것입니다. 그런데 이 문제 정의 단계에서, 전통적인 Robotics 에서 다루지 않는 다른 과학/공학분야의 전문지식을 필요로 하는 경우가 종종 발생합니다. 제가 학부부터 기계공학을 전공했기 때문에, 기계공학 학부에서 다루었던 분야, 예를 들면 기초적인 열전달, 유체역학과 같은 분야들은 다시 공부하고 접근할 수 있지만, 그렇지 않은 분야 혹은 수준이라면, 때로는 배경지식을 습득하기 위한 단서조차 모르는 경우가 많습니다. 이럴 때, 박사과정 동안은 지도교수님과 다양한 분야의 친구들, Postdoctoral Fellow 로 있던 시절에는 주변의 많은 연구원분들의 도움으로 해결할 수 있었습니다. 제가 평소에 다양한 분야의 사람들과 연구에 대해 자주 대화하려 노력하게 된 것도 바로 이러한 경험 때문입니다.




    4. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소, 지도교수에 대해 소개 부탁 드립니다.

    제가 석박사 학위를 받았던 Stanford University, 제가 2년 간 Postdoctoral Research Fellow로 일했던 Harvard Medical School & Boston Children’s Hospital, 그리고 2015년 가을부터 제가 조교수로써 PI 로 있는 TAMU BioRobotics Laboratory, Texas A&M University 입니다. 저의 석박사과정 지도교수님은 Prof. Mark Cutkosky 이고, Postdoctoral Research Fellow 과정의 지도교수님은 Prof. Pierre Dupont 입니다.


    5. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람이 있으시다면?

    수행한 연구가 지도교수, 동료, 나아가서 사회에서 인정 또는 관심을 받거나 다른 연구자들에게 영감을 주었을 때, 학생과 연구자들은 가장 큰 자부심과 보람을 느끼지 않을까 생각합니다. 저의 박사과정 연구에서 Robotic needle 을 제가 처음 제안한 이후 비슷한 개념에 기반한 robotic needle with a bendable tip 연구가 미국과 유럽 대학에서도 시작되었습니다. 그 외, 2012 IEEE International Conference on Robotics and Automation (IEEE ICRA 2012) 에 제출한 논문을, 지도교수님께서 Best Student Paper Awards 에 추천하셨던 것, 비록 finalist 로 선정되지는 못했지만, 이 논문의 후속 연구를 IEEE Transactions on Robotics (IEEE T-RO) 에 제출해 줄 것을 Editor-in-Chief (Prof. Seth Hutchinson) 로부터 초청받은 것, 마지막으로 Postdoctoral Fellow 로 일하는 동안, 제가 컨셉 개발부터 주도한 논문이 IEEE ICRA 2014 Best Medical Robotics Awards finalist 에 올랐던 것도 큰 자부심을 느끼게 했습니다. 또, 최근에 Embedded PI 라는 개념을 적용하여 da Vinci 수술로봇이 간과하고 있는 문제를 해결할 연구를 제안하였는데, da Vinci 를 제작, 판매하는 회사인Intuitive Surgical 로부터 연구비를 제공받기로 결정된 것도 매우 기쁜 일입니다.  



    6. 이 분야로 진학하려는 후배 (또는 유학 준비생) 에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

    최근에 제가 속한 학과의 신임 교수 후보 인터뷰에 참석했는데, 정교수 한 분이 후보자에게 매우 의미있는 질문을 하셨습니다. “당신은 교수가 될 준비가 되어 있습니까?” 이 질문에 답하기 위해서는 “좋은” 교수란 어떤 교수인지, 그 평가 기준을 고민해야 하고 자신을 그 기준에 따라 객관적으로 평가할 수 있어야 합니다. 다른 모든 인터뷰 질문들 또는 임용과정은 결국 평가하는 사람들이 이 질문에 대한 답을 찾아 내기 위해 필요한 것들인데, 후보자가 이 답을 찾는데 도움을 줄 수 있으면 큰 도움이 됩니다. 대학원을 생각하신다면 비슷한 질문을 스스로에게 던져 보면 좋을 것 같습니다. “당신은 이 분야에서 대학원생이 될 준비가 되어 있습니까?” 직접 답을 찾아가는 과정이 가장 중요하다고 생각하다는 것도 잊지 않으면 좋겠습니다. 참고로 저는 좋은 질문을 던지는 것이 가장 좋은 교육 방법이라고 생각하고 저의 교육 철학이기도 합니다.


    덧붙여서, 교수의 가장 중요한 역할이라고 할 수 있는 학생의 연구 지도를 가장 중요시하는 지도 교수님을 찾으시기 바랍니다. 그 연구실에 소속되지 않고는 알기 어려운 것이지만, 하나의 방법은 연구가 아닌 다른 면에서 주목받는 분들은 조심하시는 것이 좋습니다. 그리고 공학의 바탕은 기초과학입니다. 수학, 물리를 포함한 다양한 기초과학을 익히는데 충분한 시간을 쏟으시면 자신만의 독특한 연구 분야를 개척하는데 큰 도움이 됩니다. 지도교수님을 포함, 다른 사람들이 이미 하고 있는 것을 따라하거나 개선하려 하기 보다는 나만의 연구 주제를 찾고 방향을 설계하는 데에도 노력을 기울이시기 바랍니다.


    7. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으신지?

    저는 2015년 가을에 조교수로 임용이 되면서 독립된 PI 가 되었고, 그래서 저의 독특한 연구 주제를 찾아 내고 발전시키는 것이 앞으로 가장 중요한 목표이자 계획입니다. 그래서 앞에서 여러번 언급했던, 여전히 개념을 정립해가고 있는 Embedded PI 와 관련된 다양한 연구를 수행하려고 합니다. 현재는 두 가지 중요한 계획이 있는데, 하나는 Intuitive Surgical 로부터 연구비 지원을 받아서 새로운 개념의 surgical robotic devices 를 개발하는 것과, 언급된 여러 Embedded PI 관련 연구 논문들 (Sensorized tendons, Functional robotic structure, Embedded robotic joint) 을 마무리 짓는 것입니다. 또 다른 하나는, 역시 앞에 언급되었던, 새로운 Cancer treatment 기술을 제시하려고 합니다. 이 주제는 Robotics 외에도 Fluid mechanics, Materials, Manufacturing, Life Science, Physics 등의 다양한 학제들이 필요하기 때문에, 지난 1년 동안 저 분야들을 공부하면서 연구 계획을 구체화하여 왔으나 여전히 문제 정의를 하고 있는 단계입니다. 지금 진행 상황으로 보면 내년에는 feasibility study 를 시작할 수 있을 것으로 보이고, 이 연구가 성공한다면 Medical Robotics 의 외연을 크게 확장시킬 수 있을 것으로 기대합니다.


    8. 본인이 영향을 받은 다른 연구자나 논문이 있다면 소개를 해주세요.

    저의 연구 및 교육 철학은 석박사과정 지도교수님이었던 Prof. Mark Cutkosky (Stanford University) 의 영향을 크게 받았고, 교수님은 교수로써의 제 삶의 role model 이시기도 합니다. 연구에 있어서는, 가장 중요하고 어려운 문제에 도전하거나, 새로운 개념 또는 방향을 제시하는 것을 항상 요구하셨고, 교육에 있어서는, 대부분의 시간을 학부생들을 교육시키거나 대학원생들의 연구지도에 쓰셨습니다. 학자로써 제가 가장 존경하는 분입니다. 또 다른 교수님은, 박사학위 커미티들 중 한 분인 Prof. Allison Okamura (Stanford University) 입니다. 저의 학위 디펜스에서 하셨던, 이 연구의 Broad Impact 가 무었인가, 라는 질문은 앞으로 어떤 연구를 하더라도 스스로 되물어야 할 질문이라고 생각합니다.


    9. 다른 하시고 싶은 이야기가 있으신가요?

    좋은 인터뷰 기회를 주셔서 감사합니다. 저에게는, 그동안 고민해오던 여러가지 생각들을 정리해 볼 수 있는 기회가 되었고, 저의 연구를 한국에 소개하기에도 적절한 기회였다고 생각합니다.

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    전체댓글 23

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    |2017.02.28
    좋은 글 잘 봤습니다. 나중에는 교수님 같은 분이 국내에서 활동하실수 있는 좋은 환경이 만들어 졌으면 좋겠네요!!!
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    |2017.02.21
    Biomedical Robotic Devices 분야에 Embedded Physical Intelligence를 응용한 점이 매우 흥미로워보입니다. 향후 연구가 활발히 진행될것이라 기대됩니다.
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    |2017.02.20
    새로운 분야를 알게 해주셔서 감사합니다
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    |2017.02.20
    좋은 내용 감사합니다.
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    |2017.02.20
    잘읽고 갑니다. 좋은 성과 이루시길 기원합니다.
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    |2016.12.29
    글 잘 읽었습니다. 제게는 좀 생소한 분야이지만 앞으로 연구하시는 분야에 대해 관심있게 지켜 보겠습니다.
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    |2016.12.22
    생소한 PI의 개념을 알게 되어 반갑습니다. 인터뷰 초반에 ""학습을 통하지 않는 인체의 반사적인 행동이나 본능처럼, robots 의 physical system 에 심어진 (embedded) PI 를 통해 지능 또는 기능(function)을 부여하거나 향상시키겠다""는 말씀이 좋은 연구의 insight를 주는 것 같습니다. 연구자의 연구동기를 들여다 보는 것 같았습니다. 교수님의 연구가 좋은 결실을 맺기를 기원합니다.
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    |2016.12.21
    의학은 결국 공학적 발전에 영향을 크게 받습니다. 더욱 진보된 기술개발을 기대합니다.
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    |2016.12.21
    좋은 글 잘 봤습니다.
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    |2016.12.21
    미래의 의료시스템의 첨단 기술이 기대됩니다 인간 수명의 끝없는 진전이 기대됩니다
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    |2016.12.20
    기계공학 전공자로서 차세대 기대되는 또하나의 연구 분야로 보이네요^^. 좋은 소식 감사합니다.
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    |2016.12.19
    좋은 글 감사합니다.
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    |2016.12.19
    의료용 로봇에 이런 영역이 있는 줄은 몰랐습니다. 아직 진로를 결정하지 못한 학생들을 위해서도 좋은 글인것 같습니다.
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    |2016.12.20
    주류라고는 할 수 없지만, 현재 기술적 한계에 도달했다고 여겨지는 의료용 로봇 연구에서 새로운 개념을 제시하여 새로운 분야를 개척해 나가고자 하는 연구주제입니다. 기초가 강하면서 동시에 창의적인 학생들에게 어울릴 주제라고 생각합니다. 감사합니다.
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    |2016.12.14
    좋은 글 감사합니다.
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    |2016.12.14
    기계공학과 의료의 융합인 인상적인 연구를 하고 계신 것 같습니다. 기계공학 전공자로써 원자력 분야에 재직중인 현직자로써 좋은 글 잘 읽었습니다.
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    |2016.12.19
    좋게 봐주셔서 감사합니다. 공학에서 다양한 융합연구를 이끌 수 있는 대표적인 전공이 기계공학인 것 같습니다.
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    |2016.12.14
    좋은 글 잘 봤습니다.
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    |2016.12.14
    교수님의 마지막 2장의 사진은 연구에서부터 취미생활까지 하시는 열정적인 모습을 그대로 보여주는 듯 합니다.
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    |2016.12.19
    감사합니다. 학생들이 취미생활도 열심히 즐겼으면 좋겠습니다.
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    |2016.12.14
    생소한 부분이지만 의료용 로봇에 대한 공부를 할 수 있게 해주네요.
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    |2016.12.13
    active needle 이 실제 개발되어 활용되고 있는건지. 아니면 현재는 컨셉으로 연구중인건지 궁금합니다. 또한 주요한 기능들은 어떤것들이 있은건가요?
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    |2016.12.19
    좋은 질문 감사합니다. 현재는 컨셉 단계이고, 이외의 기능들로는 MR-compatible 하도록 설계되었습니다.
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