영화를 보면 가상현실로 가기 위해 주인공은 침대 위에 누워 목 뒤의 신경관에 전선을 연결하는 장면이 나온다. 이 영화처럼 가상현실과 실제를 넘나드는 역할을 하는 기계 장치를 소개하고자 한다.
■ 가상현실과 시뮬레이터
가상현실의 시작은 비행기를 모의 조종하기 위해서 개발하다 발전되었다고 할 수 있다. 전투기 조종사를 훈련하는 데는 많은 돈과 긴 시간이 들고 특히 실전 경험이 없는 초보 비행사에게는 매우 위험한 훈련이기도 했다. 따라서 모의 조종 훈련 장치를 통해 실전 비행 훈련 전에 사전 모의 훈련이 필요했는데 그것이 바로 비행 시뮬레이터이다.

이 비행 시뮬레이터를 통해서 비행기를 실제로 타고 있지 않지만 시각, 청각, 운동감각 등을 실제와 거의 비슷하게 만들어 비행 훈련을 진행할 수 있게 되었다. 현재 우리나라도 인터넷 검색을 해보면, 방위사업청 홈페이지에 개발 완료된 무기 중에 CN-235 항공기 모의 조종 훈련 장비라는 것이 비행 시뮬레이터임을 알 수 있다.

모션 시뮬레이터를 이야기하기 전에 먼저 컴퓨터 영상이 만들어져야 한다. 현실과 똑같은 장면이 생생히 재현되어야만 가상현실을 현실로 느낄 수 있다. 현재 컴퓨터에 의한 가상 영상은 매우 잘 발달되었으며 그 한 예로 컴퓨터 3D 애니메이션의 발달을 보면 알 수 있다. 그 다음은 움직임과 영상을 일치시켜야 한다.

조종 훈련사가 만약 어떤 현실에서 보이는 것(시각)과 움직임에 차이가 발생하면 뇌가 혼란을 일으키며 바로 모션 시크니스(Motion Sickness, 멀미)를 일으키기도 한다. 대표적으로 차멀미는 움직임을 전혀 못 느끼는 편안한 차에서 창 밖의 매우 빠르게 지나가는 영상을 보고 있으면 발생한다.

모션 시뮬레이터는 가상현실에서 인간에게 가상의 운동감을 만들어 주는 장치로서 그 중에 가장 원조는 스튜어트 플랫폼(Stuart Platform, 스튜어트라는 사람이 처음 생각해서 그렇게 이름붙였다)이다.
 
이 장치는 6자유도를 갖는다. 여기서 말하는 6자유도란 직선운동 앞뒤, 좌우, 상하 3개의 움직임과 각 직선운동 축에 대한 회전운동을 말한다. 즉, 3방향의 직선운동과 3방향의 회전운동을 할 수 있다. 

[그림 1] 스튜어트 플랫폼(Stuart Platform). 6자유도 운동 장치

스튜어트 플랫폼의 특징은 6개의 직선형 동작기구(가령, 실린더-피스톤)가 [그림 1]과 같이 병렬 배열되어 있어서 어느 방향의 움직임(직선운동이든 회전운동이든)을 구현하려면 6개 모두 정확하게 서로 맞추어 움직여야 한다. 대개는 한 방향의 자유도는 하나의 동작기구로 설계하는 것이 보통이다.

그러나 이 플랫폼은 한 방향의 움직임을 구현하기 위해 6개의 다리가 모두 다 사용된다. 따라서 하나의 직선형 동작기구가 움직일 수 있는 거리에 비해 플랫폼의 움직이는 범위는 상당히 짧다. 참고로 [그림 1]의 앞뒤, 좌우 최대 600mm 정도 이동할 수 있으며 회전각도도 앞뒤, 좌우 축 중심 회전이 15도 정도이다.

아무리 뛰어난 장치라 하더라도 실제 운동을 재현을 하는 데 여러 가지 한계가 있다. 매우 작은 공간에서 움직임을 재현하려면 공간의 한계에 부딪친다. 아래 [그림 2]처럼 매우 큰 공간을 사용하여 달리는 방향(앞 방향)에서 많은 공간을 주는 차량형 모션 시뮬레이터도 있다.

[그림 2] 다이믈러 벤츠사의 자동차 시뮬레이터(상당히 큰 이동 범위를 가진다)

■ 가상 운동감의 재현
가상환경을 만드는 방법은 여러 가지가 있다. 그 중에 하나는 영화 <매트릭스>에서처럼 뇌에 전달하는 모든 신경(신호)을 가로채서 가상의 환경을 전달해 주는 것이다. 영화 <매트릭스>처럼 하려면 뇌로 전달하는 모든 신경전달 세포를 찾아서 그곳에 컴퓨터가 만들어낸 가상의 환경을 신호로 만들어낸 신호망을 새로 연결하는 것이다.

또 하나는 실제 존재하지 않는 감각을 재현해 주는 것이다. 가령, 있지도 않은 공을 3차원으로 시각과 청각을 만들어 주는 것이다. 그렇다면 운동감은 어떻게 재현해 주는가?

그 해답은 바로 우리 인간의 귀에서 찾을 수 있다. 인간의 운동감을 전달하는 기관은 귓속에 있다. 귓속에는 소리를 받아들여 전달하는 여러 기관이 있지만 한편 세반고리관(삼반규관, 귀의 중간 부분에 세 개의 반원 형태의 고리처럼 생겼다.)이라는 곳이 있어서 상하, 좌우, 앞뒤로 움직이는 상태를 뇌로 전달하는 기관도 있다.

[그림 3] 귀의 내부(가운데 고리처럼 생긴 것이 세 개 있다, 세반고리관)

한편 인간의 감각은 일정한 변화가 없는 신호(시간에 따른 변화가 없는 일정한 신호)에는 거의 무감각하다. 가령 어떤 냄새 자극을 계속 맡고 있으면 점차 그 냄새에 무감각해진다. 청각도 어떤 특정 소리를 너무 크게 듣고 있으면 결국 영구적으로 그 소리를 듣지 못할 수 있으므로 이어폰 사용을 너무 심하게 사용하지 않도록 자제할 것이다.

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운동감도 역시 일정한 속도로 속도의 변화 없이 움직이는 상태에서는 무감각해진다. 예를 들어 만약 유리창으로 밖이 보이지 않는 차를 타고 일정한 속도로 방향 변화 없이 달리고 있으면 너무 지루하고 졸릴 것이다.

그러나 롤러코스터(서울 대공원에 있는 청룡열차)와 같은 놀이기구를 탄다면 아찔하고 짜릿할 것이다. 롤러코스터는 중력(땅으로 추락하는 힘)을 회전을 통해 더 큰 가속도(속도의 변화)로 변화시켜 우리에게 짜릿함을 주는 것이다.

주어진 운동 범위에서 가속도를 변화시키기 위해서는 우선 컴퓨터 영상이 갖추어져 있어야 한다. 그리고 특별한 기울임이 있어야 한다.

이 특별한 기울임은 [그림 4]에서처럼 사람이 받아들이는 가속도를 기울임으로(귓속의 세반고리관을 흔드는 결과를 가져온다) 해결할 수 있다. 즉, 앞으로 직진하는 가속도를 받으면 몸이 받아야 할 가속도를 귓속에서 특별한 기울임으로 비슷한 효과를 낼 수 있다는 것이다.

[그림 4] 가상 운동감. 더 큰 기울임이 가상 운동감을 더 준다.

만약 비행기와 같은 빠른 물체에서는 더 빠르고 큰 기울임이 필요하겠지만 자동차와 같은 물체에서는 비교적 작은 범위의 운동과 속도를 가지고 있으면 충분하며 현재 많은 연구가 진행되었다. 한편 이러한 가상환경을 바탕으로 굴삭기 모션 시뮬레이터(Motion Simulator), 자전거 모션 시뮬레이터 등이 개발되어 왔으며 각종 컴퓨터 게임(게임 속의 운동감을 그대로 전달해 준다.)에서도 활용되고 있다.
■ HMD와 돔형 스크린
HMD란 헤드 마운티드 디스플레이(Head Mounted Display)의 약자인데 한마디로 머리에 쓰는 시각장치(대표적으로 헬멧과 안경)이다. 헬멧처럼 생긴 것은 눈까지 덮은 헬멧을 써서 머리를 돌려도 돌리는 방향에서 보이는 시각을 헬멧 내부에서 감지해서 그대로 재현해 줄 수 있다.

돔형 스크린이란 화면을 360도 전부 재현해 놓으므로 언제 어디서든 화면을 재현해 볼 수 있다. 심지어 머리 위의 천장까지 모두 컴퓨터 영상으로 재현해 놓은 경우도 흔하다. 일반적으로 비행 시뮬레이션이나 자동차 시뮬레이션은 앞 유리, 옆 유리 정도의 화면을 그대로 보여 줄 수 있다. 

[그림 5] Phantom Haptic 장비와 안경형 HMD

■ 촉감각
촉감각이란 만져서 느끼는 감각인데 이것도 가상에서 재현할 수 있다. 대표적인 기구는 팬텀 햅틱 디바이스(Phantom Haptic device)라 할 수 있다. 그림의 장치는 컴퓨터상에 있는 물체의 느낌을 현실의 손과 팔에 전달되도록 하는 장치이다. 이 장비를 통해 컴퓨터 영상과 함께 모의 수술을 할 수도 있다. 한편 손에 장갑 같은 것을 끼우고 손에 닿는 느낌을 장갑에 전달하는 장치도 발표된 적이 있다.
■ 모션 시뮬레이터의 활용
이러한 가상환경을 재현하는 장치 중에서 가장 활용이 많은 분야는 바로 골프이다. 가끔 길을 가다보면 스크린 골프라는 곳을 볼 수 있는데, 이것은 바로 모션 시뮬레이터를 이용하는 것이다.

한편 실내 자동차 운전 연습장은 바로 아래 그림에서 보는 것과 같은 내용이다.

[그림 6] 자동차 모의 주행 연습

모션 시뮬레이터를 로봇이라고 말할 수 있을까? 모션 시뮬레이터는 특정 명령을 받아들여 명령에 이행하는 모션(움직임)을 취하는 로봇과는 반대로 특정 움직임을 만들어 인간에게 가상의 현실-로봇의 지능에 해당하는 컴퓨터 현실-속에 몰입하도록 만드는 장치이다.

이번호에서는 비록 외양적 로봇(explicit robot)을 다루지 않았지만 컴퓨터와 움직이는 기구장치의 조함으로 보았을 때 가상현실을 구현하는 모션 시뮬레이터라는 내향적 로봇(implicit robot)을 살펴보는 것으로 도움이 되었으리라고 본다.

우리가 사는 현실은 어디에서건 자동화 기계와 맞닥뜨린다. 이제 로봇은 우리 현실 속에 있고 살아 숨쉬는 바로 여기에 있다. 모션 시뮬레이터는 기계가 만든 가상공간과 우리가 사는 현실의 경계점에 있다.