로봇, 우주로 나가다

[쇼핑저널 버즈]

조지 루카스 감독의 '스타워즈' 시리즈를 재미있게 본 사람이라면 여러 가지 기능을 이용하여 재치와 기지로 주인공을 도와주는 R2-D2 로봇을 기억할 것이다. 모험심과 사명감으로 궂은일을 도맡아 해내는 R2-D2의 활약은 시청자들에게 큰 인기를 끌었으며 그 결과 R2-D2는 영화사상 가장 인기 있는 로봇 캐릭터로 남게 되었다.

영화 '스타워즈' 시리즈의 인기 캐릭터 R2-D2는 장난감 로봇으로도 개발되었다.

인류가 최초로 외계 천체에 발을 디딘 것은 40년 전이다. 그 이후 우주로 향한 인류의 꿈과 노력은 계속 진행되어 왔다. 이미 세계 여러 나라의 인공위성은 지구를 끊임없이 내려다보고 있으며 그 수준은 운동장 한가운데에 있는 축구공을 정확히 식별해낼 정도이다. 나아가 탐사선 및 탐사로봇은 화성과 그 밖의 외계 천체를 향해 뻗어나가 우주에 대한 새로운 정보를 인류에게 제공해 주고 있다. 이와 같이 우주에서 활약하는 로봇을 '우주로봇'이라고 하자. 우주로봇은 그 역사가 길지 않지만 최근 와서는 우주개발의 첨병으로 활약하고 있다. 그렇다면 왜 우주로봇이 필요한가.

ISS(국제우주정거장)에서는 선체 밖에서의 작업이 필요할 때도 있다. 아직은 인간의 손을 대신할 정교한 로봇이 출현하지 않았기 때문에 우주인이 직접 밖으로 나가 우주유영을 하며 작업을 벌이는 것이다. 그런데 우주인이 작업 중에 불의의 사고라도 당한다면 그 희생의 대가와 그로 인해 파급되는 영향은 엄청나게 크다. 2003년 우주왕복선 컬럼비아호의 폭발사고는 인명피해도 안타깝지만 그 사건의 여파로 한참 동안 우주왕복선 발사 사업이 중단되었고 인간의 우주개척도 그만큼 지연되었다. 즉, 우주에서의 인명피해를 없애는 것이 우주개발을 앞당기는 것이다.

이러한 인식을 배경으로 우주로봇의 활용성이 주목을 받기 시작했다. 인간이 직접 하기에는 너무 위험 부담이 크거나 어려운 작업, 극한 환경에서의 정찰 및 탐사 임무, 인간이 직접 가기에는 너무 먼 거리의 장기 탐사여행 등에 우주로봇이 필요한 것이다. 그리하여 화성에는 탐사로봇(일반적으로 로버라고 한다)이 보내졌으며 태양계 너머로는 보이저 호가 기약 없는 여행을 계속하고 있다.

보이저 1호에 이어 보이저 2호가 지구를 떠난 것은 1977년 9월이었다. 탐사로봇의 일종인 보이저 2호는 30년 동안 여행을 계속하며 태양계 행성에 대한 자료들을 지구로 전송했다. 그리고 이제 태양계 너머 성간 우주로 향하고 있다.

우주로봇은 앞으로도 계속 개발될 것이며 몇몇 분야에 특화된 우주로봇도 나타날 전망이다. 인간이 우주복을 입고 생명선에 의지하여 우주유영을 하는 모습은 이제 머잖아 사라질 풍경이 될지도 모른다.

■우주로봇은 어떻게 다른가우주로봇은 우주에서의 작업효율을 최대한으로 높이기 위해 설계되고 개발되기 때문에 당연히 지구에서의 로봇과는 차별화되어야 한다. 그렇다면 어떤 점이 지구와 우주의 차이를 결정하며 또한 그 차이에 따른 로봇의 기능과 모양은 어떻게 결정되어야 할까.

일단 지구와 우주의 환경에 따른 차이로는 중력의 유무와 그 정도, 대기의 유무와 그 조성성분, 온도, 토양의 구성성분 등을 들 수 있다. 또한 작업의 특성에 따른 차이로는 유인이냐 무인이냐의 선택, 작업의 정밀도, 작업의 범위, 제어의 용이성, 연료공급의 용이성 등을 들 수 있다.

중력의 유무와 그 정도평소 느끼지 못할 뿐 지구에 중력이 작용하고 있다는 것은 뉴턴 이래로 누구나 알고 있는 사실이다. 이러한 중력이 우주공간에서는 거의 없거나 행성에 따라 지구보다 훨씬 강하거나 미약하다. 목성과 해왕성을 제외한 다른 태양계 행성들은 지구보다 중력이 작고 또한 목성은 표면이 가스로 이루어져 있기 때문에 로봇의 몸체가 착륙하여 그 표면에서 작업을 하는 것이 불가능하다. 그렇다면 태양계 행성을 탐사하는 데 있어서는 지구보다 중력이 큰 경우를 고려하지 않아도 된다.

따라서 태양계 행성을 탐사하는 우주로봇은 지구보다 중력이 약한 환경에서 활동한다는 전제하에 개발되어야 한다. 중력이 약한 환경에서는 로봇의 몸체를 움직이기 위한 추진력이 적게 들 것이고 이는 지구에서보다 연료의 효율이 좋다는 것을 의미한다. 이를 고려하여 우주로봇은 설계시 지구에서의 로봇보다 같은 크기라면 더 효율적으로 만들 수 있다. 또한 움직일 수 있는 방향도 상하이동이 자유롭다는 점을 고려하여 설계하고 개발해야 한다.

대기의 유무와 그 성분사실 로봇에게 있어서 대기의 유무는 중요하지 않다. 중요한 고려 대상은 대기의 조성성분이다. 만일 대기에 매우 특수한 화학성분이 포함되어 있어서 로봇의 부품을 급속도로 부식시킨다면 문제일 것이다. 따라서 로봇을 투입하고자 하는 곳의 대기 조성성분을 조사하여 거기에 맞는 로봇을 개발해야 한다.

온도수성의 예를 들면 낮에는 온도가 350℃까지 올라갔다가 밤에는 -170℃까지 떨어진다. 이러한 환경에서는 보통의 소재로 만든 로봇은 임무수행은 젖혀두고 존재 자체가 불가능할 것이다.(사실 지금의 기술로 이런 극한 환경에서 제대로 작동할 수 있는 로봇을 만드는 것은 무리이다.) 이렇게 극단적인 경우가 아니더라도 작업할 곳의 온도를 고려하여 몸체를 알맞은 소재로 만든다거나 보온 등을 통해 온도를 일정하게 유지시켜주는 장치를 강구해야 한다. 예컨대 외부에 막을 씌우고 거기에 냉각된 물을 순환시키는 등의 방법을 생각해 볼 수 있다.

토양의 성분예를 들어 굴착 등을 목적으로 개발한 로봇일 경우 그 굴착하는 곳의 토양 성분을 고려하여 굴착장치를 만들어야 한다. 강철로 굴착장치를 만들어놓았는데 목적 행성의 토양이 강철보다 더 단단한 광물로 이루어져 있다면 굴착은커녕 표면에 흠집 하나 내기 어려울 것이다. 또 하나 고려해야 할 점은 그 행성이 만일 강력한 자성을 지니고 있다면 자기부상열차의 원리처럼 그 자력을 동력으로 이용할 수도 있을 것이다.

유인이냐 무인이냐우주라고 하는 특수한 환경을 고려할 때 우주로봇은 무인로봇으로 진화해갈 것이다. 더구나 인간과 겉모습이 닮은 이족보행 로봇을 굳이 고집할 필요도 없다. 우주로봇의 형태는 임무 대상 장소에 따라 천차만별이 될 것이다. 예를 들면 행성 탐사로봇의 경우 행성 표면에서 임무를 수행할 때를 대비해 바퀴가 달린 자동차형이 무난하며 좀 더 발전된 형태로는 표면 위에 낮게 떠다니는 부상형 로봇이 유리할 것이다. 그리고 자재 운반용 로봇은 주로 행성간 또는 우주선과 우주정거장간을 오가게 될 일이 많으므로 좀 더 빠르면 좋겠고 집게팔 같은 것을 장착할 필요가 있다.

제어의 용이성무인으로 활동하는 우주로봇은 작동에 문제가 생겼을 때 회수해오거나 수리를 위해 인간이 다가가기가 쉽지 않다. 이때 로봇 자체가 '똑똑하다면' 일은 쉽게 해결된다. 말하자면 우주로봇은 인공지능을 갖추어야 한다. 하지만 현재 기술로는 완벽한 AI(Artificial Intelligence)를 구현하지 못하므로 제어의 용이성에서 그 대안을 찾아야 한다. 좀 더 섬세하게 제어할 수 있는 로봇 혹은 섬세한 제어 없이도 섬세한 작업을 할 수 있는 로봇이 우주로봇으로 적합하다. 아니면 다른 로봇을 수리하거나 회수해오는 보조로봇이 새로운 우주로봇의 형태로 등장하게 될지도 모른다.

연료공급의 용이성현재 활약 중인 우주로봇들은 어디서나 얻을 수 있는 태양열을 바탕으로 연료를 공급받는다. 그런데 사실 '어디서나'라고 한 표현은 정확한 것이 아니다. 인공위성이나 화성 탐사선, 달 탐사선 등은 태양열을 기반으로 구동할 수 있지만 태양계 끝으로 멀어질수록 태양열은 더 이상 효율적인 연료 공급수단이 되지 못하기 때문이다. 태양열 에너지가 거의 전달되지 않는 명왕성에 탐사로봇을 보낸다면 연료 문제를 어떻게 해결할 것인가. 지구에서 필요한 연료를 모두 싣고 가서 사용할 수도 없는 노릇이다.

이러한 경우에는 행성의 대기에서 수소를 수집하여 액체수소 형태로 변환하여 사용하는 방식이나 연료전지를 모은 수소들로 충전하여 사용하는 방식을 생각해볼 수 있다. 특히 수소는 연소시켜도 산소와 결합하여 물로 환원되기 때문에 활용가치가 높다. 또한 이러한 수소나 우주에서 수집한 헬륨 등으로 핵융합을 하여 에너지를 얻는 방법도 있다. 그리고 고려할 점은 우주공간은 진공인 경우가 많기 때문에 적은 추진력으로도 이동할 수 있다는 사실이다.

■우주로봇의 역사1970년 11월 옛 소련의 루나 17호가 달에 착륙했다. 루나 17호에는 최초의 우주로봇이라고 할 수 있는 루노호트 1호가 실려 있었다. 루노호트 1호는 5명으로 구성된 지구 관제팀에 의해 원격 조정되었고 달 표면을 11일 동안 탐험했다. 그러나 진정한 의미에서 최초의 우주로봇이라는 영예는 미국의 소저너에게 돌려지고 있다. 소저너는 자율 이동성을 갖추고 있었기 때문이다.

소저너

1997년 11월 NASA의 첫 디스커버리 클래스 미션의 하나인 마르스 패스파인더 계획에 의해 화성에 보내진 착륙선 패스파인더 안에는 무게 10kg의 작은 탐사로봇 소저너가 실려 있었다. 소저너는 지구의 관제사에 의해 조종되는 바퀴 여섯 개의 탐사차로 관제시에 지구와 화성의 상대적 위치 때문에 발생하는 시간 지연(최소 6분~최대 41분)을 고려하여 어느 정도는 스스로 구동하도록 설계되었다. 착륙 후 7화성일 동안은 착륙선에서 반경 10m 이내의 지역만 탐사했지만 그 후 점점 착륙선에서 멀어져 장거리 여행을 했다.

스피릿과 오퍼튜니티

스피릿과 화성지형.

화성 로버의 발사 전 경사로에서 주행확인 테스트를 하고 있는 NASA 연구팀.

2004년 1월 4일 미국 NASA에서는 비틀즈의 '굿모닝 굿모닝'이 울려퍼지고 있었다. 스피릿의 화성 착륙을 축하하는 음악이었다. 21일 후 이번에는 오퍼튜니티가 화성에 착륙했다. 스피릿과 오퍼튜니티는 자체 이동능력을 가진 쌍둥이 우주로봇이다.

스피릿과 오퍼튜니티는 각자 화성의 정반대편에서 화성 생명체의 존재 가능성을 찾는 임무를 시작했다. 많은 과학자들은 화성의 먼지 때문에 태양전지판이 가려져 3개월 정도밖에 임무를 수행하지 못할 것이라고 내다봤지만 그 예상을 무색케 하고 아직까지도 임무를 계속 수행하고 있다.

스피릿과 오퍼튜니티는 고장이 나면 스스로를 재부팅하고 점점 지능화되면서 능력을 업그레이드하고 있다. 스피릿과 오퍼튜니티는 화성에서 물이 흐른 흔적을 발견하고 박테리아를 발견하여 화성 생명체의 존재 가능성을 높여주었다.

피닉스

피닉스 착륙 상상도.

피닉스의 로봇팔.

NASA의 화성탐사 미션에 따라 가장 최근에 보내진 우주로봇은 피닉스이다. 은퇴를 앞둔 스피릿과 오퍼튜니티를 대신하여 피닉스는 지난해 8월 화성의 그린벨리에 안착해 여러 자료를 왕성하게 보내오고 있다. 특히 2008년 7월 31일에는 피닉스의 로봇팔이 화성 표면을 약 5cm 파서 얼음으로 추정되는 물질의 표본을 분석기로 조사한 결과 그것이 물 입자라는 사실을 밝혀냈다. 피닉스가 전송해오는 사진은 쌍둥이 로버의 것에 비해 해상도가 훨씬 뛰어나다.

사실 로버들은 혹독한 한경에 노출되어 있다. 화성 극지대의 극저온 상태를 견뎌야 하며 강한 먼지폭풍에도 파손되지 않아야 한다. 이처럼 수많은 난관을 고려해 제작된 것이 바로 피닉스이다.

극한상황을 견뎌내는 우주로봇을 디자인하고 개발하는 것은 매우 까다로운 시도이다. 발사 전 세세한 부분까지 고려한 테스트가 선행되어야 하는 것은 말할 필요도 없다. 그런 점에서 볼 때 피닉스는 지금까지 축적된 수많은 경험과 지식의 덕을 톡톡히 보았다고 할 수 있다. 과거에 이루어진 미션에서 사용된 하부조직 시스템에 대한 사용과 업그레이드를 바탕으로 매우 완성도 높은 상태로 미션이 진행되었기 때문이다. 미션 기술팀은 그 어떤 프로젝트보다 훨씬 많은 시간을 극한환경에 대한 테스트에 할당함으로써 우주로봇의 안전성을 확보할 수 있었다.

■우주로봇의 새로운 매커니즘로봇 공학자들은 새로운 응용 분야에 적용하거나 기존의 로봇 메커니즘이 지닌 한계를 극복하고자 노력한다. 우주로봇 분야에서도 예외는 아니다. 가령 미국 메사추세츠공대(MIT)의 스티븐 더보스키 교수팀은 화성과 같은 태양계 행성의 울퉁불퉁한 지형을 깡충깡충 뛰어다닐 수 있는 공 모양의 우주로봇을 개발하고 있다. 또한 틀에 박히지 않고 우아한 보행을 하는 3개의 다리를 가진 로봇이 미국 버지니아공대 데니스 홍 연구팀에 의해 개발되고 있다. 한편 데니스 홍 연구팀은 아메바가 움직이는 방법에 기초하는 새로운 이동 형태의 로봇도 구상하고 있다.

공 모양의 초소형 화성탐사 로봇크기가 테니스공보다 약간 큰 이 마이크로 로봇은 구의 바닥으로부터 이완과 수축이 가능한 소형 발에 의해 뛰어오르며 자세를 유지할 수 있게 하는 안정화 시스템(stability system)과 결합하여 에너지를 저장하고 방출하도록 설계되어 있다. 이들 수천 개 로봇은 화성 표면 위의 상공에서 투하되어 뛰어오르고 구르고 표면을 가로질러 스스로 분산되며 화성에 대한 과학적 데이터를 수집할 것이다.

더보스키 교수는 이들 초소형 로봇이 오늘날의 로버보다 훨씬 더 넓은 영역을 커버할 수 있으며 다른 로봇으로는 도달할 수 없는 행성의 협곡, 균열부, 동굴 및 용암 튜브 등을 탐사할 수 있을 것이라고 내다봤다.

더보스키 교수팀.

연구팀은 가상현실을 이용하여 이들 로봇이 화성의 거친 지형에서 어떻게 움직이는지 시뮬레이션 했다. 무게 100g 남짓인 소형 로봇은 연료전지에 의해 작동되며 내부의 인공근육을 이용하면 시간당 평균 6회 점프하고 최대 60회까지 점프할 수 있다. 이 장치는 한 번 점프시 1.5m를 이동할 수 있으며 다시 점프하거나 구를 수 있다. 각각의 로봇들은 카메라와 환경 센서 등의 장비를 탑재하게 될 것이다. 이러한 로봇들은 지구상에서도 붕괴된 건물에서의 탐색 및 구조 작업이나 위험지역의 조사에도 이용될 수 있다.

3족 로봇 스트라이더스타벅스에 있는 의자의 다리를 생각해 보자. 의자 다리가 3개일 때 균형을 가장 잘 맞출 수 있다는 사실을 고대 그리스 기하학자들은 알고 있었다. 그러나 고대 기하학자들은 평면상의 삼각형만 생각했지 데카르트 좌표 이후의 x축은 생각하지 못했나 보다.

로봇 스트라이더(STriDER : Seltexcited Tripedal Dynamic Experimental Robot)는 매번 걸음마다 중력을 이용하여 에너지를 절약한다. 그리고 그때마다 몸통을 180도로 뒤집는 곡예사의 우아한 포즈를 선보인다. 스트라이더의 걸음걸이는 오늘날 우리가 보는 대부분의 2족 보행 로봇들보다 인간의 보행을 더 근사하게 묘사하는데 그 걸음걸이는 생물조직이 걷는 방식과 매우 유사하다.

스트라이더는 단지 짐을 운반하는 것이 아니라 접근하기 어려운 지역에 센서를 전개하는 것이 목적이다. 행성 로버의 이동에 대해 연구하고 있는 영국의 데이브 반즈는 3족 로봇인 스트라이더는 마치 2족의 인간이 지팡이를 하나 더 사용하여 에너지 소비를 줄이는 것과 같다고 평가했다. 3족 로봇 스트라이더의 자세는 매우 안정적이어서 직립을 위해 단지 관절만 움직이지 않도록 잠그면 되기 때문이다.

잠수정 로봇, 뎁스엑스목성의 위성인 유로파로 떠나기 위해 개발된 우주로봇 뎁스엑스(Depth X)는 세계 최초의 완전 인공지능 잠수정이다. 유로파는 표면온도가 -160℃로 온통 얼음으로 뒤덮여 있지만 7km 두께의 얼음층을 뚫고 들어가면 지구의 바닷물보다 많은 양의 물이 있을 것으로 과학자들은 예상하고 있다. 뎁스엑스는 유로파의 얼음층을 뚫고 들어가 해저 탐사를 통해 존재할지도 모르는 외계 생명체를 찾아내는 것이 목표다.

스톤 에어로스페이스사가 개발중인 뎁스엑스는 초대형 안구 또는 오렌지 형태를 띠고 있는 잠수정 형태의 인공지능 로봇이다. 뎁스엑스의 특징은 사전 프로그램에 의하지 않고 스스로 해저를 탐사하며 생명체를 찾아낸다는 것이다. 이는 화성 탐사에 사용되었던 스피릿이나 오퍼튜니티 등의 로버들이 촬영된 영상과 각종 데이터를 지구로 전송한 후 이를 분석한 지구의 관제를 받아 임무를 수행했던 것과는 완전히 다른 컨셉트다.

뎁스엑스는 몸체를 둘러싸고 있는 54개의 초음파 센서와 카메라 장비, 관성 측정 장비, 깊이 측정기, 가속도계 등을 이용해 주변 해저 지형의 지도를 만들고 이를 분석해 생명체의 존재 가능성이 가장 높은 지역부터 탐사에 나선다. 스스로 위치 인식 및 주변 지도를 만들어 인식하는 슬램(SLAM) 기능을 구현한 3D 슬램 잠수정이다. 또한 앞뒤가 없는 형태로 6개의 추진기를 이용해 어떠한 방향으로도 이동이 가능하며 가압기체와 펌프를 정밀하게 통제하는 부력 컴퓨터를 이용해 최소한의 전력 소모로 임무를 수행할 수 있다.

NASA의 세부 계획이 현재 확정되지는 않았지만 유로파 탐사에는 고열을 발생하는 소형 원자로가 달린 캡슐을 떨어트려 얼음층을 뚫고 들어간 뒤 캡슐 속에 있는 뎁스엑스와 같은 무인 잠수정으로 하여금 탐사에 나서게 한다는 개념을 가지고 있다.

곤충을 닮은 생체모방형 MAV미국은 지난 이라크 전쟁 때 무인정찰기를 이용하여 전술적인 성공을 거두었다. 이 무인정찰기를 10분의 1 정도로 줄인 것이 바로 초소형 비행체(MAV : Micro Air Vehicle)이다. 탄생 자체는 달갑지 않지만 MAV는 앞으로 우주로봇으로서의 역할을 당당하게 해나갈 것 같다.

MAV는 곤충처럼 날개를 파닥이는 오니솝터(ornithopter)형과 헬리콥터 같은 회전날개형, 그리고 일반 항공기와 같은 고정날개형으로 분류될 전망이다. 그 중에서 가장 흥미로운 형태는 곤충의 날개를 흉내낸 생체모방형 MAV이다.

대표적인 생체모방 MAV는 미국 캘리포니아 공대 타이 교수팀이 개발한 마이크로배트(MicroBat)이다. 무게 10g에 불과한 이 비행체는 박쥐처럼 신축성 있는 날개로 하늘을 나는 데 성공했다. 또 버클리 대학의 딕슨 교수팀은 로보플라이(Robofly)라는 로봇 파리날개를 개발했다. 조지아 대학교의 미켈슨 교수팀은 잠자리처럼 두 쌍의 날개를 휘저어 날면서 움직이는 엔터몹터(Entomoter)를 개발하여 화성 탐사에 투입할 계획이다.

MAV에 대한 개발은 국내에서도 활발하게 이루어지는 형편이다. 서울대학교 김종암 교수팀과 세종대학교 안존 교수팀, 항공대 장조원 교수팀 등이 새의 날개를 단순화시킨 모형으로 MAV 날개짓의 특성을 연구하고 있으며 한국과학기술연구원(KAIST)에서는 벌새의 날개를 MAV에 응용하기 위한 연구를 진행하고 있다.

ISS의 우주로봇, 캐나다암우주 구조물과 같은 것을 건설하기 위해서는 우주선 밖의 우주 공간에서 인간이 직접 유영하면서 작업해야 한다. 이를 우주선외활동(EVA, extra vehicular activity)이라 하는데 인간을 우주 공간으로 내보내는 비용은 매우 비싸고 많은 위험을 내포하기 때문에 인간을 대신하여 우주 공간에서 작업을 할 수 있는 자율 우주로봇이 필요하다. 하지만 현재의 로봇기술로는 완벽한 자율 우주로봇을 개발하는 것이 어려워 원격조정에 의하는 반자율의 우주로봇이 활동하고 있다.

과학자들은 2002년에 완성한 국제우주정거장(ISS, International Space Station)의 MSS 모듈을 우주로봇의 시초로 꼽는다. 이 거대한 로봇 시스템은 ISS의 조립과 유지, 장비와 부속품의 전달 등을 도맡는다. 크게 SSRMS, SPDM, MBS의 세 부분으로 구성되는데 이 중 원격조정 시스템을 담당하는 SSRMS는 우주선의 도킹을 지원하거나 위성 등 거대한 구조물을 나르도록 설계되었다.

캐나다에 의해 개발되어 '캐나다암'이라는 별칭으로 불리는 SPDM은 두 개의 로봇팔로 구성되어 섬세한 조립 등에 주로 쓰인다. 레일 위에 설치된 저장공간인 MBS는 주로 우주인의 이동을 돕는 한편 로봇팔이 ISS의 측면을 따라 움직일 수 있도록 해주는 역할도 한다.

[ 관련기사 ]▶ 유진로봇, 한미공동 로봇기술 개발사업 참여▶ ETRI, 'u-로봇 서버 미들웨어'기술 개발▶ 대구시, '로봇산업진흥센터' 개소▶ 한울로보틱스, 로봇 발전 이끈다월간로봇(www.jejisa.kr)'IT 제품의 모든것'-Copyright ⓒ ebuzz.co.kr, 무단전재 및 재배포 금지