“생각”하는 기계—자동 조절 장치

역사의 시초부터 인간은 생활 방도를 개선하려고 끊임없이 노력해 왔다. 인간에게는 창의력이 있어서 인간은 육체적인 수고를 크게 덜어 주는 기계들을 발명하여 냈다. 이러한 발전에 만족하지 않고 인간은 일보 전진하여 인간을 위해서 정신적인 일까지 할 수 있는 다른 기계들을 개발하였다. 이러한 새로운 발명을 종래의 기계에 설치함으로 스스로 조절 관리하는듯한, 그러면서도 종전보다 훨씬 빨리 일을 해 낼 수 있는 기계들을 자유 자재로 사용할 수 있게 되었다. 이러한 조절 장치를 응용한 결과 오랫 동안의 인간의 염원 즉 기계 자동화에 성공했다.

이제 많은 사람들은 매일같이 자동 기계의 혜택을 입고 있다. 당신의 집을 적당한 온도로 유지시켜 주는 온도 조절기를 비롯해서 당신을 제시간에 깨워 주는 자명종과 빵을 바삭바삭하게 갈색으로 구워주는 ‘토우스터’에 이르기까지 여러 가지 자동 장치로부터 덕을 보고 있다.

자동 장치의 기본 원리만 이해하면 과학적 발명의 미묘한 안개가 우리의 마음에서 걷힐 것이다. 조절 장치는 가정 용구로부터 인공 위성의 복잡 미묘한 ‘가이던스 시스탬’에 이르기까지 광범위하게 응용되고 있으나 기본 원리는 비교적 간단하다. 보다 간단한 장치의 작용을 이해하면 고도로 복잡한 장치까지도 얼마간 짐작할 수 있을 것이다.

개방식 ‘루프’ 조절 장치

조절 장치가 어떻게 작용하는지 좀 더 잘 이해하기 위하여 우리가 잘 아는 자동식 ‘토우스터’를 예로 들어보자. 당신이 원하는 ‘토우스터’를 염두에 두고 지시 ‘다이얼’을 적절한 위치로 돌린다. 이것이 ‘토우스터’에게 명령 신호 즉 투입이 된다. 이 명령 투입(command imput)으로 ‘토우스터’에게 당신이 원하는 ‘토우스트’의 종류 즉 당신이 원하는 산출물의 종류를 알리는 것이다. 당신이 돌리는 ‘다이얼’은—이것은 실제로 점화 조정을 한다—실제 일을 하는 ‘토우스터’의 일부 즉 전열 장치의 기능을 조절한다. 바로 여기에 보다 기초적인 형태의 조절 장치의 기본적인 부속이 있다. 이것들을 기계공들은 개방식 ‘루프’ 조절 장치라고 부른다. 이것을 도해하면 아래의 그림과 같다.

이 장치는 주로 ‘레퍼런스 셀렉터’(refference selector)와 ‘다이내믹 유니트’(dynamic unit)로 되어 있다. ‘레퍼런스 셀렉터’의 구실은 명령 투입을 ‘다이내믹 유니트’가 “이해하고” “순종”할 수 있는 말로 “통역”하는 것이다. 자동 ‘토우스터’의 경우에는 ‘레퍼런스 셀렉터’가 전열 장치를 틀어 놓는 시간을 조절하는 점화 조정기를 작용시키는 ‘셀렉터 다이얼’이다. 명령 투입은 ‘토우스트’의 종류를 밝음, 중간, 어두움이란 말로 한다. 이러한 형태의 명령 투입은 ‘다이내믹 유니트’에 아무런 의미도 전달하지 못한다. 그래서 ‘레퍼런스 셀렉터’는 이 ‘명령 투입’을 미리 정해진 길이의 시간으로 “통역”하여 명령 투입을 새로운 말로 ‘다이내믹 유니트’에 넣는다. 이런 식으로 ‘레퍼런스 셀렉터’는 명령 투입을 ‘다이내믹 유니트’에 기능을 다하는 ‘다이내믹 유니트’에 통하는 말로 지시한다. 전열기는 실제로 이 특수 장치의 행동 혹은 일 즉 빵을 굽는 일을 하는 점에서 ‘다이내믹 유니트’에 속한다.

인공적으로는 빵을 불 위에 놓고 이리 저리 움직이고 뒤집으며 계속 지켜 보아야 원하는 대로의 ‘토우스트’를 만들 수 있지만 이러한 방법으로는 끊임없는 주의와 노력을 기울여야 한다. 그러나 위에 설명한 간단한 조절 장치의 원리를 이용하면 생산품의 질을 조절할 수 있을 뿐만 아니라 손으로 구울 때 필요한 끊임없는 노력과 주의를 기울이지 않아도 된다. 이런 식으로 간단한 조절 장치는 자동 기계의 기본 역할을 다하는 것이다.

그러나 왜 그러한 조절 장치를 개방식 ‘루프’ 장치라고 부르는가? 이 장치에 명령 투입만 하면 이로써 실제로 조절 작용은 끝나는 것이다. 여기서부터는 그림 1에 표시된 바와 같은 과정을 따라 작용한다. 더 이상 조절이 필요없다. 정상 상태하에서는 장치의 각 부분이 제대로 구실을 다 할 때 산출물 즉 생산품은 명령 투입과 맞게 된다.

그러나 어느 한 가지가 제 구실을 못할 때는 어떻게 되는가? 어떤 예기치 않은 요인으로 경우가 달라지면 어떻게 되는가? 빵이 보통보다 더 말랐다고 하자. 이렇게 되면 이 사실을 ‘다이내믹 유니트’에 알려 줄 장치가 없다. 그러므로 작용을 변경하거나 보장할 수 없다. 그러므로 ‘다이얼’을 중 위에 돌려도 ‘토우스트’가 타고 말 것이다. 마지막 산출물이 기대하는 것이 아니더라도 작용을 변경시키거나 수정할 설비가 이 장치에 되어 있지 않다. 생산품은 이 장치의 작용에 하등의 영향이나 조정을 가할 수 없다. 그 때문에 이러한 형태의 조절 장치를 개방식 ‘루프’ 장치라고 한다.

분명히 생산품의 질에 차질이 있을 때 이러한 분명한 결정을 극복하는 방법은 장치의 작용을 변경시켜 줄 어떤 수단을 쓰는 것이다. 개방식 ‘루프’ 장치의 실제 작용에서는 인간이 그러한 수단을 마련한다. 당신이 ‘토우스터’에서 연기가 나는 것을 보거든 ‘토우스터’ 외부의 “다크네스 세팅”(“darkness” setting)을 조정하라. 혹은 빵이 충분히 구어지지 않으면 ‘다크네스 세팅’을 올리라. 이러한 방법으로 생산품의 질에 대한 보고가 당신 즉 인간을 통해서 장치에 되돌아 간다. 생산품이 원하는 표준에 달하도록 장치의 기능에 어떤 필요한 조정을 한다.

폐쇄식 ‘루프’ 조절 장치

물론 참다운 의미의 자동 장치에는 인간에 의해서가 아니라 자체내에 고정된 장치에 의해서 궤환 기능을 수행한다. 이것은 대단히 신속하고 정확히 하는 것이 다를 뿐 동일한 “감독”의 일을 수행할 수 있다. 그러한 장치를 폐쇄식 ‘루프’ 장치 혹은 궤환 조절 장치라고 한다.

간단한 폐쇄식 ‘루프’ 조절 장치가 어떻게 작용하는지 고찰하기 위하여 또 하나의 매우 흔한 예로 가정용 가열 장치인 온도 조절기를 고려해 보자. 이 장치는 앞서 논의한 모든 특징을 다 구비하고 있다. 물론 ‘다이내믹 유니트’는 실제로 실내의 공간을 가열하는 난방로이다. ‘레퍼런스 셀렉터’가 온도 조절기의 ‘세팅’이며 온도 조절기 자체는 또한 궤환 장치이다. 이러한 필수적인 부분의 설비가 그림 2에 도해되어 있다.

당신이 섭씨 23도의 안락한 온도로 실내 온도를 유지하기를 원한다고 가정하자. 그러므로 당신은 온도 조절기 눈금에 그 온도로 고정시킨다. 이것이 이 장치에 대한 명령 투입이다. 이렇게 투입하면 난방로의 조정기가 활동을 시작하고 틀어지게 된다. 난방로에 불이 있는 동안 실내 온도가 점점 올라가서 미리 선택한 온도에 가까와 진다. 실내 온도가 마침내 23도가 되면 온도 조절기가 그것을 알고 이 사실을 난방로의 조절기에 송환하고 난방로를 끈다.

보통 난방로가 꺼진 다음에도 온도는 약간 더 올라간다. 그러다가 곧 내려가기 시작한다. 이것은 물론 미리 선택한 온도에서 약간의 차이에 불과하다. 실내 온도가 다시 23도로 내려 오면 온도 조절기는 다시 한번 반응하여 난방로가 다시 틀어지고 실내 온도가 더 이상 내려가지 않도록 막아준다. 이러한 식으로 난방로와 온도 조절기는 일정한 온도로 일정한 공간을 가열 보온할 수 있는 자동 장치가 된다. 이 경우에 온도 조절기는 장치의 “두뇌” 역할 즉 감독 조정하는 일을 한다.

궤환 장치

개방식 ‘루프’ 조절 장치와 폐쇄식 ‘루프’ 조절 장치를 간단히 분석하고 그림 1과 그림 2를 비교함으로 둘 사이의 중요한 차이는 궤환 작용임을 쉽게 알 수 있다. 이것은 사실 자동 조절 장치의 핵심이 된다. 이 장치가 “자동적” 기능을 가지고 있는 것도 궤환 장치 때문이다. 궤환 장치는 생산품을 평가하고 생산품과 투입품을 비교하는 것이 기본 기능이다. 대개의 경우 이것은 전기로 한다. 왜냐 하면 이것이 가장 편리하고 정확한 방법이기 때문이다.

‘에네르기’ 전달 장치라는 것이 있는데 그것은 온도, 압력, 변위, 가속도, 명암, 등등의 물리적 자산을 전기적 신호로 바꾸는데 사용된다. 이러한 신호를 평가하여 기록까지 함으로써 장치의 성능을 계속 조사할 수 있다. ‘에네르기’ 전달 장치로 널리 알려진 것 가운데 광전관과 ‘자이로스코프’와 압전 광석이 있다. 이러한 것들을 고안하고 응용하는 것은 그 자체가 매혹적인 분야이다.

자동 조절 장치 과제는 오늘날 고도로 진전된 분야이지만 그 역사는 비교적 짧다. 단지 50여년 밖에 소급하지 않으니 말이다. 그 동안 조절 장치의 이론이 출현하고 진전되고 응용되었다. 이 분야가 급속히 발전한 데는 두 가지 주요 원인이 있다.

첫째로, 전기 및 전자 과학 기술이 발전을 거듭하여 조절 기사들이 필요한 도구와 “철물”을 가지게 되었다. 그리고, 산업의 요구는 필요한 연구를 촉진하여 조절 장치의 과학과 기술을 현재의 수준으로 끌어 올렸다.

이제는 모든 가정 용구를 자동화하고 사무실에서 사무 기계와 계산기가 수두룩하고 원료에서 마지막 제품까지의 완전한 제조 과정을 자동 조절 장치가 맡고 있는 공장을 보는 것은 예사가 되었다. 참으로 조절 장치의 이야기는 하나님 자신이 창시하신 물질과 법칙을 탐구하고 응용할 수 있도록 창조주께서 인간에게 부여하신 능력을 예증한다.

[12면 삽화]

(온전한 형태의 본문을 보기 원한다면, 출판물을 참조하십시오)

도해 1 개방식 ‘루프’ 조절 장치

생산품

‘다이내믹 유니트’ 전열 장치

명령 투입

‘레퍼런스 셀렉터’

“다크네스” ‘셀렉터’

[13면 삽화]

(온전한 형태의 본문을 보기 원한다면, 출판물을 참조하십시오)

도해 2 폐쇠식 ‘루프’ 조절 장치 구조

명령 투입

온도계

‘레퍼런스 셀렉터’

난방로

‘다이내믹 유니트’

온도 조절기

궤환 장치

생산품