이번 달 애니메이션을 원작으로 한 영화 아이언 맨을 보기 위해 수많은 사람들이 극장을 찾을 것이다. 그 때 산 속의 어느 비밀연구실에서는 미친 천재가 연구에 몰두, 지능형 기계의 힘을 빌린 초인간을 정말로 만들고 있을지도 모른다.
사실 외골격(exoskeleton), 일명 ‘입는 로봇’을 만들기 위한 움직임은 현재진행형이다. 미국의 국방고등연구계획청(DARPA)은 병사들을 더 강하고 빨리 움직이게 하기 위해 지난 2000년부터 외골격 연구에 투자를 시작했다. 레이시온 사코스사의 새로운 XOS 외골격을 착용하면 놀라운 힘과 지구력이 생긴다. 이와 함께 휠체어에 의지하는 장애인들의 재활을 위해 하체 외골격을 연구하는 사람들도 있다.
● 아프가니스탄의 어느 비밀 군사 기지. 소총을 든 병사 4명이 녹슨 두터운 철문을 지키고 있다. 쾅! 밖에서 누군가 거대한 주먹으로 철문을 쳤다. 쾅! 계속해서 두들긴다. 경첩이 휘어질 지경이다. 병사들은 겁에 질려 뒷걸음친다. 뭔가 커다란 놈이 화를 내며 들어오려 하는 것이 분명하다.
결국 철문이 떨어져 나가고 강철 거인의 모습이 드러난다. 마치 로봇처럼 보였지만 내부에 무엇인가 숨겨져 있는 것 같았다. 바로 유명한 병기 설계사인 토니 스타크가 안에 타고 조종하고 있는 것이다.
적의 총탄도 이 거인의 장갑판 앞에서는 무용지물이다. 그는 한 방에 한 명씩 병사들을 때려눕힌 후 기지 내부를 돌아다니며 팔에 장착된 화염방사기를 휘둘러 일대를 초토화시킨다.
● 유타 주 산속의 비밀연구소. 소프트웨어 공학자인 렉스 제임슨이 굵은 고무 끈으로 철제 I-빔에 매달려 있는 머리 없는 금속 슈트를 입는다. 그는 알루미늄 장화를 신고, 다리와 허리에 달린 벨트를 조였다.
그리고 배낭끈처럼 생긴 가죽 끈 속에 양팔을 밀어 넣고는 손 근처에 장착된 핸들을 움켜잡았다. 마치 오버코트를 입는 것처럼 손쉬워보였다.
그가 움직이자 금속 슈트는 살아 있는 듯 그의 모든 동작을 따라 움직였다. 그는 발을 하나씩 움직이며 주먹을 쳐들고 날카로운 잽을 날렸다. 그는 무하마드 알리는 아니었지만 68kg이나 되는 금속 슈트를 걸쳤는데도 민첩하게 움직였다.
이 금속 슈트를 사용하면 무거운 물건을 책상 위에서 바닥으로, 다시 책상 위로 하루 종일 옮길 수 있다. 이 엄청난 지구력을 보여주기 위해 제임슨은 역기 걸이 쪽으로 걸어가서 90kg짜리 역기를 집어든 다음 50번 정도 들었다 놨다 했다.
그는 예전에도 XOS 외골격(exoskeleton)을 걸치고 역기를 500번이나 쉬지 않고 들었다 놨다 한 적이 있다. 그가 그만둔 것은 피곤해서가 아니라 재미없어졌기 때문이었다.
기계 병사
이 두 가지 상황은 가상 및 현실 세계의 외골격 이용 사례를 든 것이다. 잘 알려져 있지 않지만 후자의 경우는 최신, 최첨단의 XOS 외골격이다. XOS 외골격은 아이디어 맨인 스티브 야콥센과 1983년에 설립된 사코스사의 엔지니어들이 개발했다.
사코스는 현재 거대 방위산업체인 레이시온사에 인수됐다. 전자의 강철 거인은 블록버스터 영화인 아이언 맨(올 5월 2일 개봉)의 주역 메카닉이다. 이 영화는 재능이 풍부한 발명가인 토니 스타크가 엄청난 능력을 가진 로봇 슈트를 만든다는 내용이다. 아이언 맨의 원작은 40년 전에 나온 만화로 거슬러 올라가지만 할리우드 판 영화로 제작되기는 이번이 처음이다.
소형 전자제품에 열광하는 현대만큼 완벽한 기계공학의 산물인 아이언 맨이 뜨기 좋은 시대도 없다. 또한 현재의 기술 수준으로 볼 때 이 로봇 슈트는 단순한 상상 이상의 것이다.
지금으로부터 7년 전 극소수의 엔지니어들이 모든 군대의 꿈인 기계 병사를 만드는 작업에 착수했다. 이 기계 병사는 엄청난 무게를 짊어지고도 지치지 않고 움직일 수 있다. 미 국방부의 국방고등연구계획청(DARPA)에서 수백만 달러의 자금지원을 받은 야콥센과 그의 동료들은 인공 근육과 통제 장치를 조합시킨 외골격을 만드는데 성공, 조만간 병사들은 물론 소방관과 휠체어를 탄 장애인들에게 보급할 예정이다.
물론 동력 공급 등 중요한 문제가 몇 가지 있기는 하지만 사코스의 XOS 외골격은 착용자가 무리 없이 움직일 수 있는 강력한 전신형 슈트로서 마치 만화 속의 메카닉을 그대로 현실화한 것 같다.
아이언 맨 만화의 주요 일러스트레이터이자 영화의 컨설턴트인 아디 그라노프는 XOS 외골격의 작동 모습을 보고 “이것이야 말로 우리가 바라던 것”이라면서 “하지만 이렇게 빨리 실현될 줄은 몰랐다”고 말했다. 그는 이어 “비행 기능과 무기가 없다는 것만 빼면 우리가 만들었던 아이언 맨 그 자체”라고 덧붙였다.
경이로운 기계
만화 속의 로봇 슈트와 실제 기계의 기술적 근원을 비교해 보려고 한다면 아이언 맨 만화가 태어난 맨해튼의 마벨 본사부터 찾아갈 일이다. 아이언 맨 만화를 총괄하는 편집자 톰 브리보트는 토니 스타크의 인생에 대해 간단히 설명했다.
즉 토니 스타크는 MIT 졸업생으로 뛰어난 과학자이자 공학자였다. 많은 재산을 상속받았으며, 여자를 밝히는 알코올 중독자이기도 하다. 토니 스타크가 어쩌다가 아이언 맨이 되었는지에 대한 이야기는 여러 해가 지나면서 바뀌었지만 영화에서 채용한 기본적 줄거리는 다음과 같다.
악당들이 그를 인질로 잡고 살인무기를 만들어 달라고 한다. 그래서 그는 방탄 슈트를 만들지만 그걸 타고 탈주를 한다. 방탄 슈트와 자신을 발전시키기로 마음먹은 그는 미숙한 학자에서 진정한 슈퍼 히어로로 다시 태어난다.
아이언 맨은 제트기도 따라잡을 수 있고, 1,000톤까지 들어 올릴 수 있다. 또한 보안이 삼엄한 컴퓨터도 해킹할 수 있고, 그 모든 것을 착용자의 두뇌와 직접 연결된 인터페이스를 통해 해낸다. 비현실적으로 보이지만 브리보트는 그 비현실성이 핵심이라고 말한다. “아이언 맨은 사람들의 생각보다 늘 3 발자국 정도 앞서 나갑니다. 그렇지 않으면 의미가 없지요.”
지난 1963년 아이언 맨 캐릭터가 선보였을 때 군에서도 이미 그 같은 개념을 구상하고 있었다. 그 해 미 육군의 연구자 서지 자루드니는 착용자에게 헐크 같은 힘을 주는 ‘입는 로봇’ 개념을 논문으로 발표했다. 하지만 당시 그 개념을 실현하는데 필요한 기술은 없었다.
실제 DARPA가 인간 능력 강화용 외골격 프로그램이라는 이름으로 7,500만 달러를 들여 구체적인 작업에 착수하던 2000년까지 인간의 힘을 강화시켜주는 입는 로봇 개념은 사장된 상태였다. 당시 극소수의 외골격 연구 선구자들은 이제야 기술이 꿈을 실현해 줄 수 있는 단계에 접어들었다고 생각했다. 선구자들 중에는 나틱병사연구소 내 연구개발공학센터의 인간시스템 통합부장인 육군 대령 잭 오부젝도 있었다.
오부젝은 지난 1995년부터 군의 외골격 연구에 참여하고 있다. 그와 다른 관리들은 작고 다양한 기능을 갖춘 센서와 빠른 마이크로프로세서를 보고는 이제야 입는 로봇이 실현 가능해졌다고 판단했다.
하지만 DARPA의 야심찬 개발 목표는 차라리 만화 속에나 나올법한 것이었다. 외골격은 평균적인 체력의 병사가 수백kg의 짐을 짊어지고 며칠 동안 피로 없이 행군할 수 있어야 했고, 통상 2인이 운반하던 무게의 병기를 혼자서 운반할 수 있어야 했다.
또한 1~2명의 부상자를 짊어지고 신속히 전장을 이탈해야 하며, 착용자를 적의 총탄에서 지켜주는 방어 장갑도 있어야 했다.
심지어 높이뛰기 능력도 맨몸의 인간보다 월등해야 했다. 아이언 맨하고 다를 바가 없었다. 이 때문에 DARPA의 일부 전문가들은 이 목표가 실현 불가능하다고 보았다. 초창기에 이 프로그램을 이끌었던 코넬 대학교의 공학자 에프라힘 가르시아는 “반 정도는 아주 광신적으로 이 프로그램이 성공할 것이라고 믿었고 나머지 반 정도는 이 프로그램이 돈과 시간낭비라고 주장했다”고 말했다.
반대자들의 저항도 만만치 않았다. 그들의 저항은 넘어야 할 큰 산이었다.
이 외골격은 하루 종일 움직이는데 필요한 휴대형 동력장치가 있어야 한다. 또한 작지만 강력한 인공근육도 있어야 하며, 움직임을 제어하는 복잡한 제어장치도 있어야 한다. 그리고 무엇보다 빨라야 한다.
외골격은 병사의 움직임을 동시에 재현해야 한다. 병사가 왼팔을 휘두르면 그와 동시에 더 큰 힘으로 왼팔을 움직여줘야 하는 것이다. 조금이라도 지연이 있다면 착용자는 마치 물속에서 사지를 움직이는 것 같은 저항력을 느끼게 될 것이고, 그만큼 피곤해진다.
그런 일을 피하려면 착용자가 가하는 힘을 수천분의 1초 만에 읽어내야 한다. 그런 다음 강력한 마이크로프로세서가 그 힘을 데이터로 바꾸어 외골격의 팔다리를 움직여야 한다. 그래야 착용자의 움직임에 항상 속도를 맞출 수 있다.
이 문제를 해결했다 해도 이 시스템과 빠른 속도·민첩성·힘·지구력을 외골격 안에 조합시켜야 토니 스타크를 현실로 만들 수 있다. 한마디로 외골격은 병사의 모든 움직임을 그대로 따라할 수 있어야 한다. 하지만 그러려면 화끈한 화력의 무기를 설계하는 사람이 아니라 로봇 공룡을 만드는 사람이 필요하다.
로봇 제작자
스티브 야콥센의 이력을 보면 로봇공학계의 윌리 웡카를 보는 것 같다. 윌리 웡카는 소설 ‘윌리 웡카의 초콜릿 공장’ 주인공. 그는 지난 35년간 활동하면서 벨라지오 카지노의 분수대에 설치할 80톤짜리 기계 공룡을 설계하기도 했다.
하지만 그의 외모는 미친 사람이라기보다는 멀쩡한 대학 교수처럼 보인다. 키가 크고, 은발을 뒤로 멋지게 빗어 넘기고 있다.
그는 XOS 외골격을 소개하기 전에 그가 반쯤 농담 삼아 ‘공포의 터널’이라고 부르는 곳으로 필자인 그레고리 몬을 데리고 갔다. 그곳은 밖에서 보면 치과의사의 사무실처럼 보이지만 유타 대학 공대의 연구개발 파트가 독립해 설립된 회사의 본사다.
그는 유타 대학에서 강의를 했었다. 야콥센은 기계를 거칠게 다루기로 악명 높은 고객들(디즈니에서 요구하는 로봇의 품질도 군만큼이나 빡세다고 한다)을 위해 로봇을 만들어 주었지만 마음은 아직도 학자다.
야콥센은 그의 뇌를 언제라도 찾아가서 놀 수 있는 좋은 친구라고 칭하며, 개발해 낸 솔루션의 경우 최적의 사용처를 찾는 것 보다 어려운 문제를 푸는 것 자체에 더 많은 공을 들인다.
탁구를 치는 인간형 로봇 앞을 지나간 후 그는 지방의 한 레스토랑에 만들어줬던 한 쌍의 노래하는 큰부리새 로봇 앞에서 발걸음을 돌리지 못했다. 로봇 새들이 진짜 새처럼 움직이게 하는 것은 너무나 어려운 일이었다. 그는 “우리는 흥미 있는 일을 하려고 하고, 또 그렇게 해왔다”고 말한다.
그는 당근만 먹고 달리는 사람 같은 생물학적 체계의 에너지 효율성을 보고 느낀 놀라움부터 지나치게 비현실적인 공학적 이상에 대한 반응 등 다양한 주제에 대해 5분 동안이나 쉬지 않고 떠들어댔다.
하지만 그의 수다 속에는 과묵함이 깔려 있다. 그는 기본적으로 언론에 거의 입을 열지 않는다. 그는 몬에게 나이도 알려주지 않았다. 다양한 실험실을 다니면서 그는 소형 무인 차량이나 신형 외골격 다리 등 몇몇 장비들을 가리키고는 거기에 대해서는 언급하지 말아달라고 부탁했다.
그런 식으로 침묵하는 것은 그의 프로젝트 중 상당수가 군의 자금지원을 받아 이루어지고 있기 때문일 것이다. 그것을 떠나 어느 마법사든 자신의 마법이 너무 많이 알려지기를 원치 않는 법이다.
사코스의 프로젝트는 보철기술부터 나노스케일의 모터에 이르기까지 다양한 것이 섞여있다. 하지만 가르시아는 이 같은 다양성 덕택에 야콥센이 외골격 연구에 가장 적합한 사람이 되었다고 말한다. 야콥센은 소프트웨어 및 기계공학 기술을 갖고 있으며, 필요한 것은 뭐든지 손쉽게 개발해 내는 능력도 갖추고 있다.
가르시아는 “야콥센은 액추에이터도 설계할 수 있고, 제어장치도 설계할 수 있다”면서 “이와 함께 기계와 부속품도 설계할 수 있다”고 말했다. 외골격 개발에는 그런 다재다능함이 반드시 필요하다.
실제 외골격을 만들 때 우선 25개의 하부 체계를 만들어야 다음으로 넘어갈 수 있다. 강도와 내구력이 주요한 목표지만 그 것을 해결하려면 75가지의 문제를 해결해야 한다. 야콥센이 만든 지능형 기계 중 XOS 외골격이 가장 많은 문제를 해결해야 했으며, 그만큼 애착이 가는 지능형 기계다.
그는 “어느 지능형 기계도 이만큼 원대한 목표를 가지고 만들어지지 않았다”면서 “ 이만한 힘, 속도, 내구력, 유연성을 가진 지능형 기계는 없다는 얘기”라고 설명했다.
외골격의 등장
사코스는 지난 2000년 DARPA의 자금을 지원받았다. 야콥센이 요구조건을 실현하는데 큰 장애가 되는 문제를 해결할 능력이 있다고 생각했기 때문이다.
그 문제는 착용자와 외골격간의 의사소통 문제였다. 야콥센은 자신에게 이 일을 해결할 능력이 충분한지 알아보기 위해 회사의 사진사 존 프라이스와 그의 딸에게 도움을 요청했다. 야콥센은 이들을 불러 프라이스는 외골격 역할을, 딸은 외골격 착용자 역할을 맡겼다.
딸이 등을 아버지의 몸에 대고 발로 아버지의 밟을 밟고 선 상태에서 발을 들면 아버지는 그에 맞춰 딸의 손을 잡고 균형을 잡으며 발을 들어 올려야 했다.
몇 분 지나지 않아 부녀는 조화롭게 걷기 시작했다. 빠른 속도로 뛰거나 방향을 전환하는 고난이도 동작도 문제없이 해냈다. 이 실험을 하고 난 후 야콥센은 몇 개의 접촉점을 통해 지능형 기계가 착용자의 의도된 움직임을 읽고 그것을 따라하는 일이 가능하다는 것을 알았다.
XOS 외골격을 완성하기 위해 야콥센과 그의 그룹은 소형 액추에이터를 설계하고, 개량형 압력센서를 만들었으며, 더욱 효율적인 유압밸브를 개발했다. 그리고 알루미늄 발까지 만들었다.
하지만 제어체계야말로 야콥센의 최종 해결책이었으며, 그의 XOS 외골격을 슈퍼 히어로로 만든 일등공신이었다. 외골격 개발에 매달렸던 오부젝도 “외골격 작동에 조그마한 저항만 있어도 착용자는 쉽게 피로해질 것”이라며 이에 동의했다.
XOS 외골격의 제어체계는 조금의 저항도 만들어내지 않는다. 실제 외골격 시험조작사 제임슨은 이 제어체계 덕택에 맥박의 변화 없이 계속 시험조작을 할 수 있었다. 그가 역기를 내리려 하는 순간 손잡이에 있는 센서가 힘을 변화시킨다. 외골격의 도움이 없다면 그는 한 손에 45kg씩의 무게를 자신의 힘으로만 내려놓아야 할 것이다.
하지만 야콥센의 말에 따르면 센서가 거의 0에 가까운 힘도 감지해 내 XOS 외골격을 가동하게끔 하는 것이 이 시스템의 목표다. 즉 제임슨이 몸을 움직일 때마다 XOS 외골격도 그의 신체 일부처럼 움직여줘야 한다는 것.
손잡이에 있는 센서는 XOS 외골격의 발과 등에도 달려 있다. 이들은 중앙 프로세서에 1초에 수 백 번, 센서에 따라서는 수 천 번의 신호를 보낸다. 시스템은 이 같은 데이터를 읽고 XOS 외골격의 다리, 팔, 등의 동작으로 바꾼다. 만약 제임슨이 손을 내리려고 한다면 시스템은 그 움직임을 읽고 XOS 외골격의 손을 내리는데 필요한 인공 관절과 근육에 지령을 보내는 것이다.
역기를 들어 올릴 때도 마찬가지. 제임슨이 미처 힘을 주기도 전에 시스템이 XOS 외골격의 팔에 역기를 잡으라는 신호를 내리기 때문에 긴장할 필요가 없다. 제임슨이 XOS 외골격을 벗을 때 그는 땀 한 방울 흘리지 않았다. 기분이 어떠냐고 묻자 어깨를 움츠리며 아주 좋다고 대답했다.
제임슨이 시험해본 XOS 외골격은 버전 4.0에 해당한다. 야콥센은 이전의 3가지 모델이 마네킹처럼 걸려 있는 방을 보여주었다. 영화 아이언 맨에서 스타크가 장비를 보관해두는 옷방 같았다. 그것을 보니 지금 당장 그것을 입고 나가 반인 반로봇이 되어 악당들을 무찌르고 정의를 구현하고 싶어졌다.
지난 2002년에 만든 첫 번째 외골격은 동력이 없었다. 외골격이 인간처럼 움직일 수 있는지를 알아보기 위해 사코스가 만든 것이다. 야콥센은 한 엔지니어에게 그것을 착용시킨 후 축구공을 찬다던지, 달린다던지, 불도저 운전석에 오른다던지 하는 동작을 시켰다. 이 실험을 통해 외골격의 적합한 동작범위와 관절의 위치를 정할 수 있었다. 관절을 적절한 속도와 힘으로 움직이게 하는 것은 더욱 어려웠다.
2003년 사코스는 유압식 액추에이터로 기계 근육을 작동시키는 작업에 착수했다. 이 같은 접근법은 그리 혁신적이지는 않았다. 다른 개발자의 말을 빌리자면 유압에만 의존해 외골격을 작동시켰다가는 끝장이 난다고 한다.
실제 그 같은 방식의 외골격을 보지 못했기 때문에 익명을 요구한 한 엔지니어는 밸브 내의 유압을 유지하는 데만도 너무나 큰 동력이 필요하다며 유압식 외골격은 쓰레기라고 주장했다. 즉 움직일 때만 에너지를 사용하는 전기식 액추에이터가 더 나은 선택이라는 것이다.
하지만 야콥센은 이 같은 비판을 퉁명스럽게 물리쳤다. 자동차의 브레이크도, 항공기의 착륙장치도 다 유압식으로 움직이는데 잘만 쓰고 있지 않느냐는 것이다. 물론 그도 에너지 배분에 문제가 있음은 인정했다.
자세한 내용은 밝히기 꺼려했지만 그는 사코스가 유압 밸브를 재설계해 외골격이 움직일 때만 동력을 소비하는 체계로 탈바꿈시키고 있다고 말했다. 역기를 들고 벌인 멋진 퍼포먼스에도 불구하고 XOS 외골격은 아직 DARPA에서 요구하는 모든 목표를 충족시키지 못했다.
아직 사람보다 더 빠르게 덩크슛을 할 수도 없고, 헤라클레스 같은 괴력을 발휘할 수도 없다. 하지만 오부젝에 의하면 DARPA는 이 같은 목표 중 하나라도 가능한지 여부를 알아보는 것이라고 한다.
사코스, 오크리지 국립연구소, 캘리포니아 버클리 대학 등 3개 기관이 분담해서 매달리는 프로젝트인 XOS 외골격은 지난 2005년 DARPA의 초기 목표와 가장 가까운 상태를 실현했다.
그 결과 이 제품을 토대로 미군은 다음 목표를 세울 수 있었다. 사코스는 미 육군으로부터 1,000만 달러의 연구비를 받아 2년 동안 연구를 할 예정이다. 제임슨은 마지막 작동연습을 해보기 위해 다시 XOS 외골격을 착용했다. 몬은 이 68kg 짜리 외골격이 6개의 접촉점을 통해 그의 모든 동작을 따라하는 것을 보면서 이 외골격의 액추에이터가 조용하고 무리 없이 움직이기 위해 1초에 얼마나 많은 정보를 사용할까 하는 생각을 했다.
XOS 외골격의 움직이는 모습은 마치 영화 아이언 맨처럼 신비로워 보였다. 자칫 제임슨이 아이언 맨처럼 천정을 부수고 하늘로 날아오를 것 같은 상상을 할 뻔했지만 그런 일은 벌어지지 않았다. XOS 외골격이 이 실험실 밖으로 나가려면 전력선부터 잘라야 하기 때문이다.
또 다른 경쟁자
외골격 개발의 세계는 대단히 작고, 외부에 대해 비밀주의를 지키고 있다. 하지만 계략 같은 것은 없다. 이 때문에 다른 사람이 개발한 외골격이 어떻게 동작하는지 모를 경우 업자간의 경계에 구애받지 않고 동작 원리를 물어보는 경우도 많다.
XOS 외골격과 그 밖에 미국을 선도하는 두 곳의 외골격 연구 집단은 완전히 정반대의 방향에서 동력 문제에 접근하고 있다. 야콥센은 일단 강력한 외골격을 만들고 동력 문제는 나중에 해결하기로 했다.
DARPA는 4~24시간 동안 움직일 동력이 있어야 한다고 규정하고 있다. 몬이 본 시범에서 제임슨과 XOS 외골격은 외부 전원에서 전기를 받아오는 유압 펌프에 연결돼 있었다. 물론 이 XOS 외골격은 배터리로도 작동 가능하지만 그 경우 작동시간은 40분이 한계다.
미국 내 외골격 연구의 최고 권위자인 다른 두 사람, 즉 MIT 교수인 휴즈 허와 버클리 캘리포니아 대학의 호메이운 카저루니는 전력 문제부터 해결하려고 했다.실제 허는 가급적 최저의 에너지를 사용하는 걷는 기계를 만들었다. 첫 설계는 불과 2와트, 그러니까 휴대용 라디오 수준의 전력만 사용했다. 그럼에도 착용자가 등에 짊어진 36kg의 짐 중에 80%의 무게를 지지할 수 있었다.
현재의 개량된 설계에서는 특유의 시스템 덕에 착용자는 그냥 걷는 것보다 조금 더 많은 에너지를 소모할 뿐이다. 하지만 허는 가까운 미래에 착용자의 힘을 그대로 저장하는 외골격이 나올 것으로 믿고 있다.
그는 사람들이 주말에 착용하고 산 속을 하루 종일 뛰어다닐 수 있게 해주는 외골격을 꿈꾸고 있다. 허가 이 같은 자체 발전 시스템을 장기적인 관점에서 생각하고 있다면 카저루니는 이미 그 일부를 실현한 상태다.
DARPA 프로그램을 오랫동안 해온 카저루니는 그의 외골격인 인간화물운반기(HULC)가 충전 없이 20시간 이상 움직일 수 있다고 말했다. 그는 HULC를 착용한채 45kg의 짐을 지고 움직일 경우 그냥 짐만 짊어지고 움직이는 것보다 산소 소비가 15%나 적어진다고 덧붙였다.
카저루니의 HULC는 아직 일반에 공개될 준비가 돼있지 않았다. 따라서 자세한 것은 말할 수 없고, 다만 하이브리드 카와 유사한 시스템이라고만 말할 수 있다고 했다.
하이브리드 카가 제동을 할 때 에너지를 사용해 배터리를 충전하는 것처럼 HULC도 착용자가 한 발에서 다른 발로 무게 중심을 옮길 때마다 지면에서 받는 힘을 이용한다는 것이다. 결국 걷는 동작 하나하나가 이 시스템에 동력을 제공하는 셈이다.
그는 국립표준기술연구소에서 200만 달러의 연구비를 받아 거동이 불편한 장애인을 도울 수 있도록 이 시스템을 개량하는 3년간의 연구를 수행중이다. 카저루니는 “이것은 그저 전쟁 기계가 아니라 장애인들을 위한 휠체어이기도 하다”고 말했다.
XOS 외골격의 가장 막강한 경쟁자 역시 의료용으로 개발된 것이지만 미국이 아니라 태평양 건너 일본에 있다. 로봇공학자 산카이 요시유키는 지난 2004년 사이버다인사(공교롭게도 영화 터미네이터에서 로봇들이 반란을 일으켰던 회사 이름과 같다)라는 회사를 창립했다. 이 회사는 하이브리드 어시스티브 림브, 약칭으로 HAL-5라는 전신형 외골격을 판매하고 있다.
압력센서를 사용하는 XOS 외골격과는 달리 HAL-5는 착용자의 피부에 센서를 부착해 근육에서 나오는 신호를 감지, 착용자의 동작을 파악한다. HAL-5의 제어체계는 착용자의 걸음걸이를 학습 및 모방한다. 이는 착용자가 이 기계에 적응하고 움직임을 완벽히 동조시키려면 최대 30분이 걸린다는 뜻이다. 입자마자 바로 마음대로 움직이기는 힘든 셈이다.
하지만 사이버다인은 HAL-5를 재활도구 및 간호용 도구로 생각하고 있기 때문에 적응기간은 큰 문제가 되지 않는다. 병원 직원은 이 배터리 장착형 외골격을 입고 중환자를 아이처럼 가볍게 들어 올릴 수 있다. 산카이는 현재 고객에게 이 HAL-5를 대여해 주고 있다.
장기 비전
최근 나온 아이언 맨 만화를 보면 아이언 맨이 얻어맞고 적의 은신처에 쓰러져 있다. 그리고 장갑 헬멧 내의 전방시현기에는 전력이 거의 고갈되었다는 나쁜 소식이 나온다. 하지만 여전히 희망은 있다. 그는 콘크리트 벽을 부수고 그 속의 전력선에 손가락을 집어넣어 순식간에 전력을 보충한다.
유감스럽게도 실제 세계의 외골격은 훨씬 더 긴 시간을 들여야 충전할 수 있다. 심지어 현장에서 처음으로 사용될 XOS 외골격 역시 전원 케이블에 매인 상태가 될 지도 모른다.
오부젝은 XOS 외골격의 초기형은 투사라기보다 머슴에 더 가까운 존재일 것이라고 생각한다. 유선으로 차량이나 선박, 항공기의 발전기에 연결돼 전력을 공급받고, 실려 있던 중장비를 신속히 내리거나 부서진 전차를 수리하는 등의 용도로 쓰일 가능성이 높다는 것.
미 육군은 이런 유선 XOS 외골격을 2009년부터 현장에서 실험해보고 싶어 하지만 야콥센과 그의 회사는 여전히 완전 자체 전력형 버전 개발에 매달리고 있다.
올 여름 야콥센의 회사는 엔진 설계 회사와 공동으로 XOS 외골격을 여러 시간 동안 움직일 수 있도록 하는 발전기의 개발 프로그램을 시작할 것이다. 하지만 야콥센은 그 이상은 말하지 않았다. 아마 부끄러워서 그런 것은 아닐 것이다. 그는 강력한 발전기를 만드는 것보다 더 어려운 과제, 즉 외골격 자체의 전력 소모를 줄이는 방법에 대해 이야기했다.
야콥센은 인간의 다리를 본뜬 새로운 에너지 절약형 다리를 보여주었다. 사람은 걸을 때 앞으로 박차고 나가는 대부분의 힘이 엉덩이에서 나온다.
그리고 다리를 앞으로 뻗으면서 무릎에 있는 작은 근육과 나머지에서 생기는 힘이 발바닥을 원하는 지점에 가 닿게 해준다. 이렇게 자유롭게 다리를 흔드는 기술은 에너지를 절약한다. 카저루니와 허는 이 기술을 자신들의 외골격에 이미 통합시켰으며, 야콥센은 차세대 XOS 외골격에 이 기술을 응용하려고 하고 있다.
야콥센은 “앞으로 몇 년 후의 다음 단계에서는 1~3 마력 정도로 걸을 수 있을 때까지 전력사용량을 줄이려고 한다”고 말했다. 그 정도면 휴대형 전력 팩을 휴대할 수 있을 것이다.
야콥센은 현재의 버전을 건강유지, 응급출동, 정비, 전투 등 특수한 목적에 맞도록 변형이 가능한 기본 버전으로 보고 있다. 장래에 나올 모델은 완전 자동으로도 움직일 것이다. 그래서 외골격을 벗고 위험한 건물 안에 외골격만 들여보내는 것도 가능할 것으로 예상하고 있다.
라에시온 사코스의 로비를 걸어가면서 몬은 평면 TV에 펼쳐지는 야콥센의 장기 비전을 담은 애니메이션을 볼 수 있었다.
그 애니메이션에서는 외골격으로 무장한 병사들이 어깨에서 미사일을 날리고, 높은 벽을 뛰어넘으며, 엄청난 속도로 전투 임무를 수행하고 있었다. 심지어는 멋진 공중제비도 선보였다. XOS 외골격을 입기는 했지만 그들은 미식축구 NFL의 코너백 만큼이나 민첩했다. 마치 아이언 맨 같았다.
외골격 개발의 역사
외골격의 첫 특허는 지난 1890년에 나왔다. 하지만 현실 세계 및 가상 세계에서 그것이 구체화된 것은 비교적 최근의 일이다.
1.1966년 제너럴 일렉트릭이 ‘하디 맨’이라는 외골격을 설계했지만 완성된 외골격으로 작동 시범을 보인 적은 없다.
1986년 영화 ‘에일리언’에서 주인공 시고니 위버가 외골격을 입고 외계인을 무찔렀다.
2. 1987년 척추를 다친 전 육군 레인저 대원 몬티 리드가 라이프슈트라는 외골격을 입고 재활 물리치료를 받았다. 그는 2003년 외골격을 입고 5km 달리기에도 참가했다.
1990년 일본의 카나가와 기술연구소가 노인과 환자들을 돕는 간호용으로 파워 어시스트 슈트를 개발하기 시작했다.
3. 1998년 오스트레일리아의 행위예술가인 스텔락이 독일 함부르크에서 사람이 조종하는 워킹 머신을 발표했다. 워킹 머신은 거미처럼 생겼는데, 이를 이용해 현대사회를 비판한 것.
2002년 일본 기업 사이버다인사가 HAL-3를 발표했다. 후속 모델인 전신형 HAL-5는 간호사들이 환자를 들어 올리는데 사용하고 있다.
4. 2003년 영화 매트릭스 3에서 지온 군대는 외골격을 사용해 기계와 전투를 벌이고 네오를 돕는다.
2004년 버클리의 하체 외골격 블릭스는 착용자의 다리 움직임에 맞춰 움직이는 두 개의 다리와 짐을 싣는 백팩 형태의 프레임으로 구성돼 있다.
2008년 로버트 다우니 주니어는 영화 아이언 맨에서 토니 스타크 역을 맡아 손바닥에서 레이저를 쏘는 로봇 슈트를 만든다.
90kg을 900g처럼 들어 올리는 원리
1. 센서
2. 실린더 액추에이터
3. 밸브
4. 유압선
5. 케이블
6. 컴퓨터
XOS 외골격은 인간의 신체기관과 거의 똑같이 움직인다. 이두박근 구부리기를 할 때 상박의 근섬유는 수축되고 힘줄을 잡아당겨 하박을 들어올린다. XOS 외골격에서 손잡이 안에 있는 센서는 착용자의 팔 움직임을 감지한다.
센서에서 얻은 데이터는 컴퓨터로 옮겨지는데, 컴퓨터에서는 이 데이터를 토대로 착용자의 손에 가해지는 긴장이 최소화되도록 외골격을 움직이는 방법을 계산한다.
여기서 내린 지시는 일련의 밸브를 움직여 관절 내의 실린더 액추에이터를 작동시킨다. 실린더 액추에이터가 움직이면 연결된 케이블이 힘줄처럼 움직여 XOS 외골격의 팔을 움직인다.
XOS 외골격에는 서로 다른 관절을 움직이는 30개의 액추에이터가 있다.
외골격은 단순히 착용자의 체력을 강화시켜줄 뿐 아니라 첨단기술을 통해 각개 병사와 위생병을 진정한 슈퍼 히어로로 만들어준다. 완전 방탄에 뛰어난 상황 인식 능력, 6m 정도의 높이뛰기 능력을 갖춰야 하는 것이다.
8. 스스로 얻는 전력
개발자: 버클리 바이오닉스
실용화 예상년도: 올해
버클리 바이오닉스는 병사가 걷는 힘을 이용해 충전되는 배터리식 전원시스템을 개발하는 중이다. 하이브리드형 자동차가 감속 에너지를 이용하는 것과 같다. 또한 라이시온 사코스 는 외골격을 움직이고 전자 및 통신장비의 재충전 스테이션 역할을 하는 엔진을 개발 중이다.
9. 부상자 업는 플랫폼
개발자: 레이시온 사코스
실용화 예상년도: 2010년
레이시온 사코스는 위생병들이 부상자를 업을 수 있는 접는 형태의 플랫폼 시제품을 실험중이다. 현재의 XOS 외골격에도 등에 86kg 체중의 사람을 업을 수 있다는 플랫폼이 있다.
1. 5톤 무게를 들어 올리는 팔
개발자: 병사나노기술연구소(ISN), 메사추세츠 공과대학(MIT)
실용화 예상년도: 2018년
화학자인 티모시 스와거와 공학자인 이안 헌터는 전기를 통하게 하면 아코디언처럼 늘었다 줄었다 할 수 있는 새로운 폴리머 물질을 개발했다. 이 물질로 만든 액추에이터는 실험실에서 인간 근육의 100배에 달하는 힘을 발휘했다.
2. 상황 인식용 디스플레이
개발자: 미 육군
실용화 예상년도: 2013년
병사의 헬멧 안에 내장된 이 디스플레이는 병사의 건강상태와 강화복의 출력 레벨, 통신시스템 등의 정보를 제공한다. 또한 화학 및 환경 센서에서 얻은 데이터도 나온다.
3. 신속한 기능 전환
개발자: 레이시온 사코스
실용화 예상년도: 2009년
착용자는 팔뚝의 제어장치를 사용해 특정 동작을 신속하게 수행할 수 있다. 신속 해체 버튼을 누르면 착용자가 외골격을 신속히 벗어버리고 탈출할 수 있다. 그리고 외골격에 아드레날린과 같은 효과를 주는 버튼도 있다. 위험지대를 신속히 탈출할 때처럼 짧은 시간 내에 엄청난 힘이 필요할 때 사용한다. 착용자들은 한 걸음마다 최적의 에너지 효율을 내 장거리 행군에 적합하도록 외골격을 조정할 수도 있다.
4. 만능 인공 손
개발자: 여러 연구소
실용화 예상년도: 2015년
오늘날 의수에 쓰이는 단순한 나사 고정식 갈고리와는 달리 이 외골격은 다양한 형태의 인공 손을 달 수 있다. 복잡한 화기 조작이나 전차 구난(현재는 견인 트럭이 수행하는)에 필요한 세 손가락이 달린 손도 달 수 있다. 육군은 여러 연구소에 이 손의 개발을 의뢰한 상태다.
5. 동력 절약하는 인공 관절
개발자: MIT, 레이시온 사코스
실용화 예상년도: 2013년
MIT의 재활전문가 휴즈 허는 모든 동작에 일일이 동력을 소모하지 않고 착용자가 일반적으로 걸을 때처럼 다리를 자유롭게 움직이게 함으로서 동력을 절약하는 인공 관절, 무릎, 엉덩이를 만들었다. 레이시온 사코스는 XOS 외골격 착용자가 한 걸음씩 내딛을 때마다 속도(현재는 시속 10km)를 증가시킬 수 있도록 관절을 재설계했다.
6. 가벼운 방탄 소재
개발자: ISN
실용화 예상년도: 2018년
외골격은 두터운 장갑판을 자랑하기도 하지만 훨씬 가벼운 해결책도 개발 중이다. MIT의 엔지니어 네드 토마스는 방탄 소재의 분자구조를 기존의 빽빽하고 경직된 구조가 아니라 트러스 형태의 구조로 재설계하고 있다. 실험 결과 이 같은 분자구조의 개편을 통해 무게는 줄어들고 강도는 향상됐다.
7. 자체 치료기능
개발자: ISN, 미 육군 나틱연구소
실용화 예상년도: 2018년
병사가 부상당할 경우 그가 입은 스판덱스 같은 슈트가 출혈을 감지하고, 인공혈관 네트워크를 통해 지혈제를 투입한다. 이 슈트는 혈압과 심장 박동을 체크해 멀리 떨어진 의료팀에게 병사의 건강상태를 알린다.
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