사람처럼 생각하고 판단할 능력이 부족한 로봇의 문제에 대해 전혀 엉뚱한 해결법을 제시한 사람들이 있다. ‘기계가 할 수 없다면 사람이 하면 된다’고 생각하는 사람들이다. 로봇이 모든 것을 알아서 할 수 없다면, 그 대신 인간이 기계를 이용해 훨씬 더 강한 힘을 얻어 일을 하면 어떻겠냐는 생각, 즉 기계로 된 옷을 입고 강한 힘을 얻는 기술, 사람의 타고난 힘이나 장애를 로봇기술로 극복하는 장치를 개발하면 어떻겠냐는 생각이다. 이른바 ‘웨어러블 로봇’ 기술이 세상에 등장한 이유다.

의복처럼 입기만 하면 힘이 강해지는 로봇, 만화영화 속 단골 소재로 쓰였던 이 ‘웨어러블 로봇’은 과연 현실에 얼마나 가까이 다가와 있을까. 사실상 이미 실용화를 목전에 두고 있다고 여겨진다. 군사적 목적 등으로 연구가 꾸준히 이어져 온 것은 이미 20여 년, 그 동안은 현실에서 이런 로봇을 찾아보기란 쉽지 않았다. 그러나 최근 이런 다양한 방법으로 여러 기술적 문제를 해결한 진정한 ‘현실적인 초인들’이 우리 사회 속에서 하나, 둘씩 등장하기 시작했다.

국내 기업 앞다퉈 개발·도입

웨어러블 로봇 도입에 가장 적극적인 곳이 산업현장일 것이다. 작업자들이 힘이 세진다는 건 곧 업무효율의 증대로 이어지기 때문이다. 그간 산업현장에 도입될 수준의 제품을 보기는 어려웠지만, 최근 들어 양상이 조금 달라지기 시작했다. 이제는 기업이 직접 도입을 전제로 기술개발에 직접 뛰어드는 경우가 적지 않다. 이제는 정말로 웨어러블 로봇을 누구나 당연한 듯 이용하는 세상이 코앞으로 다가온 것이다.

웨어러블 로봇 도입을 시도하는 기업 중 가장 최근에 볼 수 있는 것은 택배업체 ‘CJ대한통운’ 사례일 것이다. 이 회사는 물류센터 근로자를 위한 ‘착용형 로봇(웨어러블 로봇)을 개발했다고 7월 28일 발표했다. 쉽게 말해 입으면 힘이 세지는 로봇을 근로자들에게 공급해 물류 업무의 효율을 한층 끌어올리겠다는 것이다.

얼핏 보기엔 흔한 조끼처럼 보이지만 효과는 의외로 뛰어난 것으로 나타났다. 현장 테스트 결과 이 웨어러블 슈트를 입은 작업자의 허리와 허벅지 등 주요 근육 사용량은 23% 이상, 산소 소모율도 슈트를 착용하지 않았을 때와 비교해 15% 이상 각각 감소한 것으로 보여졌다. 테스트에 참여한 직원 김성수 씨는 “웨어러블 슈트가 허리와 엉덩이 부분을 확실히 지지해준다”며 “박스를 들어 올리는 등의 작업을 할 때 자연스럽게 힘을 받는 것이 느껴진다”고 했다.

회사 측의 포부는 이 첨단기술을 현장에 적용해 물류 사업 고도화에 속도를 내겠다는 것이다. 지금까지 첫 프로토타입 제작 이후 지속적인 현장 테스트를 통해 2차례 개량된 버전을 제작했으며, 그간의 성과를 이날 공개한 것이다. 조만간 물류 현장에 투입해 상용화할 계획이다.

지난 6월 20일엔 대우건설이 ‘웨어러블 로봇 솔루션을 이용한 스마트작업 케어 서비스 개발 및 실증’ 과제를 진행하기로 하고, 건설 현장에서 상시 착용할 수 있는 웨어러블 로봇 개발에 뛰어들었다. 건설 현장에서 작업자의 근골격 이슈 및 지속할 수 있는 생산성을 위한 ‘스마트작업 케어 서비스’를 제안해 선정됐다. 쉽게 말해 이 로봇을 입고 일을 하면 현장에서 힘이 세어지는 것은 물론, 로봇에 탑재된 센서는 작업자의 자세 및 작업(하중, 근로 시간, 빈도 등) 데이터를 수집·분석해 작업자의 근골격계 질환 예방 및 생산성 유지를 위한 서비스도 제공할 계획이다. 대우건설은 이를 위해 ‘허리 보조 로봇’과 ‘보행보조로봇’ 2종을 개발하기로 하고, 건설 현장에서 근력 보조와 상시 착용성을 높이는데 필요한 다양한 목표성능도 발표했다. 1.5kg 이하의 무게와 4~10시간의 사용 시간, 다양한 신체 사이즈 및 형상 대응 등이다. 회사 측은 이 사업을 통해 근력 보조용 웨어러블 로봇의 효율증대는 물론, 안전성과 근골격계 재해 예방 효과 역시 추가로 검증하고 현장에 보급할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

‘아이언맨 슈트’로 불리는 이유

웨어러블 로봇은 엑소스켈레턴(exoskeleton) 로봇이라고도 불린다. 흔히 유명 영화 제목을 빌려와 ‘아이언맨 슈트’라고 부르는 사람도 있다. 영화 속에서 종횡무진 활약하는 <아이언맨(Iron Man)>의 주인공은 인체기능을 크게 높여주는 ‘로봇 슈트’를 입고 악을 물리치는 존재인데, 이와 이미지와도 겹쳐 보이고, 실제로 관련이 있는 기술도 많아 ‘웨어러블 로봇 = 아이언맨 슈트’라고 부르는 경우가 적지 않다.

웨어러블 로봇은 크게 두 종류로 나뉘는데, 첫째는 건강한 사람의 신체 능력을 한층 더 높여주기 위해 개발된다. 산업현장에서 무거운 장비를 취급해야 하는 사람, 무거운 포탄 등을 취급해야 하는 군인, 재난현장에서 강한 힘을 빌려 써야 하는 구조대원 등의 사람들에게 큰 도움이 된다. 건강한 사람이 로봇을 입고 강한 힘을 낼 수 있도록 돕는 장치이다 보니 흔히 ‘근력강화용 로봇’이나 ‘근력강화복’, ‘착용형 근력강화 로봇’ 등으로 부르는 경우도 많다. 물론 실제로 사람의 근력을 키워주는 것은 아니며, 입고 있는 사람의 몸동작을 따라 움직이며 어느 정도의 힘을 보조해주는 역할을 한다.

비슷한 장비로 ‘환자보조용’ 웨어러블 로봇이 있는데, 하체마비 환자나 전신마비 환자, 혹은 체력이 아주 약한 노약자 등을 위해서 개발된다. 일반적인 웨어러블 로봇은 군사용이나 재난구조용, 산업용 등으로 의미가 큰 반면, 이 경우엔 환자들을 돕는 재활장비로써 가치가 크다고 볼 수 있다. 기술적으로 차이가 적지 않으므로 이 둘을 굳이 구분해서 보는 경우도 적지 않다(환자보조용 웨어러블 로봇에 대해서는 다음 칼럼을 통해 좀 더 자세히 소개할 계획이다).

강화용 웨어러블 로봇이란 결국 사람의 몸 외부를 로봇이 감싸고 있는 형태이다. 따라서 팔이나 다리를 움직일 때, 사람의 움직임을 완전히 측정해 조금의 오차도 없이 따라서 움직이면서도 동시에 강한 힘도 낼 수 있는 ‘동작일치(싱크로)’ 여부가 중요하다. 물론 실제로 인간의 동작과 완전히 일치시키긴 어렵지만 개발자들은 조금이라도 더 편안하게 움직일 수 있도록 연구를 계속하고 있다.

과거에는 ‘압력 센서’ 방식을 이용했다. 로봇 속에 들어가 있는 사람이 팔다리를 움직이면 로봇 뼈대 안에서 인체와 부딪히기 마련, 이 압력을 감지해 전기신호로 바꿔 로봇에 붙어있는 전기모터나 유압식 구동장치를 움직인다. 시간차가 발생하는데다 오작동 우려도 커 현재는 거의 쓰이지 않는다.

근육에서 발생하는 미세한 전기인 ‘근전도’를 측정하는 방식, 힘을 줄 때 근육이 딱딱해지는 ‘근육경도’를 감지하는 방식도 있다. 최근 많이 쓰이는 것은 ‘토크감지’ 방식이다. 사람이 팔다리를 구부리거나 펼 때 관절에 걸리는 힘을 감지한 다음 동시에 따라서 움직인다. 이 밖에 컴퓨터 프로그래밍을 이용해 인간의 동작을 미리 예측해 시간차를 최대한 줄이는 방법도 연구하고 있다. 최근에는 사람의 뇌파를 감지하는 방법도 연구되고 있는데, 근력 강화용 로봇 보다는 환자보조용 로봇에 더 자주 이용된다.

웨어러블 로봇 어떤 것 있을까

현재까지 개발된 웨어러블 로봇 중 일부 실용화 수준에 도달한 것도 많다. 현재까지 개발된 웨어러블 로봇 중 가장 성능이 뛰어난 것은 미국 방위산업체 ‘레이시온’이 개발한 엑소스(XOS)이다. 이 로봇을 입으면 평균적인 성인남자의 약 17배에 달하는 힘을 낼 수 있다.

놀라운 점은 이렇게 힘이 세면서도 웬만한 사람의 몸동작을 거의 다 수행할 수 있다는 점이다. 계단이나 험지 등도 빠른 속도로 이동할 수 있고 달리기도 할 수 있다. 축구를 하는 동영상, 빠른 속도로 펀칭볼을 두드리는 동영상이 공개된 적도 있다. 워낙 전기를 많이 소모하는 바람에 항상 배터리를 연결해야 하는 점이 문제로 부각돼 실용화가 어려웠는데, 최근 이 문제를 해결한 현재 XOS-2가 개발돼 실용화에 들어갔다.

이 밖에도 주목할 만한 모델이 많다. 미국 록히드마틴도 야전 전투상황에 사용할 수 있는 ‘헐크’라는 로봇을 개발한 바 있다. 이 로봇은 병사의 하체 힘을 키워줄 목적으로 개발됐다. 무거운 군장을 짊어지고 먼 거리를 걷거나, 빠른 속도로 달리기를 할 수 있도록 돕는 로봇이다. 90㎏에 해당하는 짐을 짊어지고 걸을 수 있고, 최대 시속 16㎞의 속도로 달릴 수도 있다. 마라톤 풀코스를 두 시간 반에 주파할 수 있는 속력이다. 이런 기술을 종합해 미군은 특수전사령부(특전사)용 웨어러블 로봇을 특별히 개발하고 있기도 하다. ‘탈로스(TALOS)란 이름으로 개발 중인 이 옷은 전신을 감싸는 갑옷 형태, 헐크와 유사한 하체 보조 형태 등 두 종류로 나뉘어 개발 중이다.

국내에선 한국생산기술연구원(생기원)의 기술을 이전받은 웨어러블 로봇 전문기업 ‘에프알티(FRT)’가 유명하다. 본래 생기원은 군사용 및 산업용 웨어러블 로봇 ‘하이퍼’ 시리즈를 개발해 주목받은 바 있다. 하이퍼1은 실험용이었고, 하이퍼2는 군사용으로 사용이 가능한 모델이었으나 실제 보급으로 이어지지는 못했다. 이를 조선소 등에서 사용할 수 있도록 산업용으로 재개발한 하이퍼2i 모델도 개발된 바 있다.

FRT 연구진은 이 기술을 이전받아 구조대원이 화재현장에서 높은 빌딩을 걸어 올라갈 때 사용하는 하체보조 웨어러블 로봇 하이퍼R을 개발한 바 있다. 이 회사는 2018년 약 20억 원의 매출을 기록했다. 하이퍼R은 고층빌딩 화재 시 인명구조용으로 쓰기 위해 개발됐는데, 헐크와 비슷한 구조로 소방관들의 다리 힘을 키워주는 ‘하체 강화형’ 로봇이다. 로봇을 입고 가볍게 달릴 수도 있다. 최대 속도는 시속 8㎞. 최대 동작시간은 두 시간 내외로 다소 짧지만 소방 현장에서 쓰는 공기호흡기는 1대에 45분밖에 쓸 수 없기 때문에 사용상 문제는 없어 보인다. 하이퍼R을 입은 소방관은 약 30kg의 짐을 추가로 짊어지고 하체 피로가 거의 없이 이동할 수 있다. 고층빌딩 화재 시 구조 요청자가 있는 곳까지 두 대 이상의 공기호흡기를 짊어지고 걸어 올라간 다음, 마지막엔 로봇마저 벗어버리고 사람만 구조해서 내려오는 식이다. 강한 탄소 소재와 알루미늄 합금으로 만들어졌는데, 실제 보급 땐 내열 처리도 할 계획이어서 화재 진화 이후엔 수거해서 다시 쓸 수 있을 것으로 보인다. 국내 방위산업체 LIG넥스원도 하이퍼R과 비슷한 형태의 군사용 웨어러블 로봇 ‘렉소’를 개발한 바 있다.

갑옷 형태 포기하고, 모터까지 버린 ‘신개념 근력강화 슈트’도 등장

근력강화용 웨어러블 로봇을 입으면 강한 힘을 낼 수 있지만, 무거운 갑옷을 입고 돌아다니는 격이라 아무래도 움직이기 불편하다는 단점이 생긴다. 정해진 동작 이외의 행동을 하려면 무거운 갑옷을 이겨내며 ‘억지로’ 움직여야 하기 때문이다. 미국 방위고등연구계획국(DARPA)이 록히드마틴의 금속 슈트인 헐크를 이용해 실제 병사들의 피로도를 조사한 결과 헐크를 입었을 때 오히려 피로도가 39% 증가한다는 결과를 얻은 바 있다. 심박수도 평균 26% 늘었다. 웨어러블 로봇을 입어서 강한 힘을 얻는 만큼 체력 소모도 심했다는 뜻이다.

이 문제를 해결해 적당히 강한 힘을 얻으면서 체력도 보존할 수 있는 ‘의복형 웨어러블 로봇’도 존재한다. 흔히 ‘소프트 엑소슈트’라는 이름으로 불린다. 이런 종류의 웨어러블 로봇은 미국 하바드대 연구진이 처음 개발을 시작해 지금은 여러 곳에서 개발 중이다. 몇 가지 부품만 제외하면 대부분 섬유로 만들어졌으며, 섬유 내부에 들어 있는 초소형 모터와 와이어를 이용해 근육의 움직임을 돕는다. 하버드대가 개발한 ‘하바드 엑소슈트’의 경우 힘이 최대 20%까지 증가하지만, 착용하지 않을 때는 옷걸이에 걸어 옷장 안에 보관할 수 있다.

한 가지 생각해야 할 점이 추가로 있는데, 이른바 ‘동력시스템’의 문제다. 기계장치를 움직이도록 만드는 구동부품을 흔히 ‘액추에이터’라고 부르는데, 가장 흔하게 사용되는 것이 전기모터이다. 하지만 강한 힘을 내는 군사용, 산업용 로봇의 경우 유압식 특수 구동장치를 이용하기도 한다. 건설현장에서 움직이는 굴삭기의 팔을 생각하면 이해하기 쉬울 것이다.

이는 웨어러블 로봇도 마찬가지인데, 일반적인 웨어러블 로봇은 주로 전기모터를 이용하지만 하이퍼시리즈, 헐크 등 군사용 모델의 경우 유압식 액추에이터를 사용했다. 그런데 이런 액추에이터 자체가 문제가 된다고 여기는 연구진도 적지 않았다. 액추에이터를 사용하면 무겁고, 계속해서 전원을 공급해야 하므로 배터리 등을 추가로 연결해야 하므로 부담이 적지 않다. 하지만 스스로 움직이지 못하는 웨어러블 로봇을 어디다 쓴다는 이야기일까.

일부 연구진들이 눈을 돌린 것은 이른바 ‘탄성’을 이용하는 시스템이다. 운동을 좋아하는 사람, 가벼운 부상을 입은 사람 등이 팔이나 다리, 허리의 근육 위로 길다랗게 반창고) 붙이는 경우를 종종 볼 수 있었을 것이다. 이른바 ‘테이핑요법’이라고 하는데, 신기하게도 통증이 줄어들고 근력이 일부 강화되는 효과가 있다고 해서 애용하는 경우가 적지 않다. 아마도 테이프가 가진 탄성이 근육을 보조하기 때문일 것으로 보고 있다. 이 원리를 이용해 웨어러블 로봇을 개발하려는 시도도 최근 늘고 있다. 굳이 소프트 형태로 만들지는 않는 경우도 많은데, 로봇 내부의 스프링, 금속판, 탄성이 높은 밴드 등을 이용해 사람의 운동능력을 보조하는 형태다. ‘CJ대한통운’에서 개발 중인 웨어러블 로봇도 이와 유사한 형태로 보인다. FRT도 최근 전기모터가 없는 탄성 보조형 웨어러블 로봇을 새롭게 개발 중인 것으로 알려졌다. 물론 이 같은 형태는 강한 힘을 얻기는 무리이므로 부상방지, 사용자의 체력보존 등 보조적 목적으로 이용하는 경우에 걸맞다.

영화 속 ‘아이언맨’의 성능은 허구의 것이다. 현실에서 그 같은 성능을 가진 로봇을 만드는 것은 물리적으로 무리이다. 그러나 웨어러블 로봇 그 자체는 이미 우리의 곁에 바짝 다가와 있는 현실 속 기술이다. 최근 20여년 간의 기술 변화를 바라보면 웨어러블 로봇 기술은 점점 더 가볍게, 점점 더 실용화 가능성이 높은 기술 위주로 발전해 가고 있다는 사실을 알 수 있다. 우리 주변 어디서든 웨어러블 로봇을 입고 강한 힘을 내며 일을 하는 사람들을 만나볼 수 있는 날은 그리 얼마 남지 않은 것으로 보인다.

* 이 글의 필자 전승민 과학기술전문저술가는 동아일보 과학팀장, 동아사이언스 편집장 및 수석기자를 역임했다. 현재는 조선일보 계열 인공지능 전문매체 ‘더 에이아이(THE AI)의 편집국장으로 있다. 한국과학기술원(KAIST)에서 과학저널리즘(공학석사)을 전공했다. 저서로는 《휴보이즘》, 《인공지능과 4차산업혁명의 미래》, 《미래로봇》, 《나는 AI와 일한다》, 《소설로 알아보는 바이오사이언스》, 《알기 쉬운 백신 이야기》 등이 있다. 공저로 《미래가 온다? 우리가 간다!》 등이 있다.