현대 산업 현장에서 인간의 신체적 한계를 극복하기 위한 기술 개발은 끊임없이 진행되어 왔습니다. 1965년 등장한 초기 웨어러블 로봇은 650kg의 자체 무게라는 치명적 약점으로 실용화에 실패했지만, 이후 군사용 연구를 거쳐 노동 현장과 구조 활동까지 영역을 확장하며 인간을 보조하는 핵심 기술로 자리 잡고 있습니다. 이 글에서는 웨어러블 로봇의 핵심 구동 원리와 현장 적용 사례, 그리고 기술이 지향하는 진정한 가치에 대해 살펴보겠습니다.
액추에이터 기술의 핵심과 발전 과정
웨어러블 로봇의 성능을 좌우하는 가장 중요한 요소는 바로 액추에이터입니다. 액추에이터는 인간의 근육과 유사한 역할을 하며, 로봇에 힘을 내고 움직이게 하는 핵심 구동 장치입니다. 인간의 근육이 움직임을 발생시키고 뼈와 신체 각 부위를 안정시키는 것처럼, 액추에이터는 상황에 따라 힘을 조절하고 외골격을 제어합니다.
가제로니 박사가 개발한 강화 로봇은 실린더를 이용한 액추에이터를 사용했습니다. 이 시스템은 매우 독창적인 원리로 작동합니다. 무거운 것을 들기 위해 허리를 구부릴 때 허리춤에 연결된 실린더의 끝이 자연스럽게 톱니바퀴에 고정됩니다. 그 순간 실린더가 줄어들면서 압력이 발생하고 외골격은 지지대 역할을 합니다. 그리고 허리를 펼 때는 밀어 올려주는 역할을 해서 사람에게 무게가 적게 전달되는 것입니다. 이는 용수철의 탄성과 반발력처럼 중량을 가하면 지지하고 그 반작용으로 채워주는 힘을 구현한 것으로, 요추 5번과 천추 1번 부위에 가해지는 부담을 획기적으로 줄여줍니다.
한편 장정 박사가 개발한 강화 로봇은 유압 실린더를 활용한 액추에이터를 채택했습니다. 유압 실린더 안에 유압을 넣어주게 되면 실린더가 늘어나게 되고, 다리가 바닥에 붙어 있을 때는 밸브를 잠그고 힘을 버티며, 다리가 떨어지게 되면 밸브가 열림으로써 실린더가 자유롭게 움직이게 됩니다. 유압실린더는 중장비에 주로 쓰이는 것처럼 큰 힘을 낼 수 있지만 작게 만드는 것이 까다로워 그동안 웨어러블 로봇에 적용하기가 어려웠습니다. 미국 국방성이 특허를 내고 독점하고 있었던 소형 유압실린더 기술을 국내 자체 기술로 소형화에 성공한 것은 매우 의미 있는 성과입니다.
웨어러블 로봇의 또 다른 핵심 요소는 사람의 동작 의도를 인식하는 센서와 제어기입니다. 센서를 통해 수집된 정보를 계산해 필요한 힘을 액추에이터에 명령하는 제어기, 즉 작은 컴퓨터는 웨어러블 로봇의 두뇌 역할을 합니다. 장정 박사가 개발한 로봇은 발바닥에 센서가 붙어 있어, 발바닥이 완전히 착지하기 전에 제어기가 동작 신호로 읽고 액추에이터에 명령을 내려 외골격을 타는 것과 동시에 중립 상태로 잠가 버립니다. 사람의 다리에 무게가 실리기 전에 땅에 기둥을 세워 무게를 느끼지 못하게 하는 정교한 메커니즘입니다.
강화 인간을 향한 연구와 군사적 배경
웨어러블 로봇의 역사는 1965년 하디라는 이름의 장치에서 시작됩니다. 110kg을 들어 올리는 데 드는 힘은 겨우 4.5kg에 불과했고, 착용한 사람의 근력을 무려 스물다섯 배나 강화한다는 소식은 당시 큰 주목을 받았습니다. 그러나 하지메는 650kg에 달하는 자체 무게 때문에 실용성에 의문이 제기되며 사장 위기에 처했습니다.
실용성이 없어 사장 위기에 처했던 웨어러블 로봇을 다시 주목한 곳은 미국 국방성이었습니다. 46kg에 완전 군장을 하고도 거뜬하게 움직이는 강화 인간이 필요한 것은 전쟁, 테러가 끊이지 않기 때문입니다. 군사용 웨어러블 로봇으로 강화 인간을 향한 연구가 본격적인 질주를 시작했습니다. 군사적 목적으로 시작된 이 연구는 병사들의 기동성과 전투력을 향상하는 것을 목표로 했으며, 막대한 국방 예산이 투입되면서 기술적 진보가 급속도로 이루어졌습니다.
하지만 이러한 군사적 연구 성과는 곧 민간 영역으로 확장되었습니다. 어쩌면 웨어러블 로봇은 평범한 사람들에게는 별 소용없는 물건으로 남을 수도 있었지만, 연구자들은 일상의 노동 현장에서 고통받는 사람들을 위한 기술로 방향을 전환했습니다. 특히 중량물을 다루거나 반복적인 동작으로 신체에 부담을 받는 노동자들에게 웨어러블 로봇은 단순한 효율 향상 도구가 아닌, 건강과 안전을 지켜주는 필수적인 장비로 자리매김하게 되었습니다.
가 제로니 박사가 개발한 강화 로봇들은 실제 노동 현장에서 사용되고 있습니다. 무거운 물건을 들고 오랜 시간 일해야 하는 사람들을 위해 만들어진 것으로, 20kg이 넘는 쇳덩이를 가벼운 물건처럼 옮길 수 있다면 노동량도 많아집니다. 하지만 중량에 비해 피로는 덜 쌓여 작업자에게도 안전함을 줄 수 있습니다. 이는 웨어러블 로봇이 사람을 대신하는 기술이 아니라, 사람이 덜 다치고 더 오래 일할 수 있게 도와주는 기술이라는 점을 명확히 보여줍니다.
현장 활용과 실증 실험 사례
웨어러블 로봇의 실용성을 입증하기 위한 다양한 실험과 현장 테스트가 진행되어 왔습니다. 한국생산기술연구원에서 개발한 강화로봇을 활용한 흥미로운 실험이 있었습니다. 강화 로봇을 착용한 여성과 오로지 자신의 힘으로만 버티는 남성 도전자에게 각각 20kg의 쌀을 매고 앉았다 일어섰다를 반복하는 실험이었습니다. 결과는 놀라웠습니다. 남성 도전자가 포기한 이후에도 여성 참가자는 계속할 수 있었습니다.
참가자는 "쌀이 20kg라면 로봇이 15에서 45kg 정도는 덜어주잖아요. 힘들진 않았어요. 그러니까 그만큼의 무게까지는 안 느껴졌고요. 반절 정도 느껴졌습니다"라고 증언했습니다. 또한 "앉았다가 허리가 쫙 펴지는 느낌, 몸을 끌어당기는 느낌"을 경험했다고 밝혔습니다. 움직임이 사람만큼 자연스럽진 않지만 확실히 힘은 로봇이 더 강했습니다. 사람의 뼈와 같이 형태를 유지해 주는 역할을 하고 있는 게 외골격이고, 그 외골격에 부착되어 있는 유압 실린더가 근육과 같은 역할을 해서 이 무게를 버티거나 움직이게 해주는 힘을 발생시켜 주는 것입니다.
특히 주목할 만한 현장 활용 사례는 소방 분야입니다. 지난 3월에서 4월 사이 현직 소방관들을 대상으로 강화 로봇 테스트가 있었습니다. 소방관들이 화재 현장에 갈 때는 각이 걸려 피복에서 공기 굵기도 굉장히 많이 필요해요. 그런 것들을 다 더하면 무게가 한 40에서 50kg 정도 가까이 되는데 너무 무거워서 이제 그 인명구조 하기에 좀 어려움이 있습니다. 산소통을 짊어지면 깊숙한 곳까지 구조를 들어가지 못하고 때로는 소방관들의 안전도 위험한 화재 현장에서, 강화 로봇은 생명을 구하는 시간을 벌어주는 결정적 도구가 될 수 있습니다.
가제로니 박사팀의 강화 로봇은 무릎 부위로 특화되었습니다. 역시 같은 액츄에이터를 사용해 오랜 시간 쪼그려 앉거나 반복적으로 앉았다 일어나야 하는 사람들의 무릎 연골과 근육을 보호하기 위해 만들어진 로봇입니다. 무릎에 힘을 써야 할 때 액츄에이터로 외골격을 고정해 다리나 팔을 로봇에 걸쳐 놓는 형태가 되는 것입니다. 이러한 무릎 특화 로봇은 건설 현장, 물류 센터, 농업 분야 등 다양한 영역에서 활용 가능성을 보여주고 있으며, 노동자들의 근골격계 질환 예방에 실질적인 도움을 주고 있습니다.
결론
웨어러블 로봇 기술은 단순히 힘을 증강시키는 것을 넘어, 인간의 존엄성과 노동의 가치를 보호하는 방향으로 발전하고 있습니다. 숙련된 사람이 현장을 완전히 떠나지 않고도 계속 활동할 수 있게 하며, 효율을 높이기 위한 수단이라기보다 사람의 몸과 삶을 지켜주는 장치로서의 역할이 더욱 중요해지고 있습니다. 어쩌면 강화 로봇은 지금보다 더 강해져야 할지도 모르지만, 그 강함은 인간을 대체하기 위한 것이 아니라 인간과 함께 공존하며 더 나은 노동 환경을 만들기 위한 것이어야 합니다.
[출처]
영상 제목/채널명: https://www.youtube.com/watch?v=tdaWVUP2qcc