지형 가리지 않고 뛰는 로봇 다리, 모터 없이 만들었다

인공 근육으로 만든 로봇 다리가 축에 고정된 채로 돌면서 다양한 지형을 걷고 뛰는 장면. Wolfram Scheible 제공

국제공동연구팀이 동물 근육의 작동 원리를 모방한 인공 근육 시스템과 이를 기반으로 한 로봇 다리를 구현하는 데 성공했다. 기존 모터 방식의 로봇 다리보다 에너지 효율이 높고 다양한 지형에서도 유연하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 

로버트 카츠슈만 스위스 취리히연방공대(ETH) 소프트 로보틱스 연구소 교수팀이 독일 막스플랑크 지능형시스템 연구소 연구팀과 함께 전기 모터 없이 유압식 인공 근육으로 구동되는 로봇 다리를 만드는 데 성공했다. 연구결과는 9일(현지시간) 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 공개됐다.

기존 로봇은 대부분 근육이 아닌 모터로 팔다리 등을 움직이도록 설계됐다. 모터 방식은 로봇 다리가 동물 근육의 유연성을 구현하기 어려운 이유 중 하나다.

인간을 포함한 동물에서 양방향으로 움직이는 근육은 보통 한쪽 근육이 짧아지면 다른 쪽 근육이 길어져 상호작용하는 한 쌍의 시스템으로 이뤄졌다. 연구팀은 이런 구조에 착안해 전기유압식 구동 장치(액추에이터) 한 쌍을 골격에 부착해 로봇 다리를 구현했다.

연구팀이 개발한 전기유압식 구동 장치를 활용한 로봇 다리(오른쪽)와 기존 모터식 로봇 다리를 비교한 그림. Fukushima Buchner 제공

구동 장치는 기름으로 채워진 비닐봉지에 전기가 통하는 검은색 전극 물질을 코팅해 만들었다. 전압을 높이면 전극이 가까워지면서 봉지 안의 기름을 한쪽으로 밀어내 봉지의 길이가 짧아지는 원리다.

전기유압식 로봇 다리는 관절을 구부리는 신호와 펴는 신호 두 가지만으로 구동된다. 땅에 착지할 때는 다리 관절이 표면의 딱딱한 정도에 따라 적절한 각도로 움직였다. 모터 방식처럼 센서가 로봇 다리의 각도를 계속 확인할 필요가 없다.

연구팀은 "우리가 공중으로 뛰었다가 착지할 때 무릎을 90도로 구부릴지, 70도로 구부릴지 미리 생각하지 않는다"며 "지형에 적합하게 착지하려면 근골격계에 충분한 탄성이 있어야 한다"고 말했다.

성능 테스트 결과 연구팀이 개발한 로봇 다리는 모터로 구동하는 기존 로봇 다리보다 에너지를 적게 쓰고 열이 덜 발생했다. 연구팀은 "모터 다리는 구부러진 자세를 유지할 때 많은 에너지를 소비한다"며 "일반적으로 전기 모터로 구동되는 로봇은 열을 공기 중으로 확산시키기 위해 방열판이나 팬(fan)이 추가로 필요하지만 개발된 시스템에는 필요하지 않다"고 설명했다.

연구팀이 개발한 로봇 다리는 아직 축에 부착돼 원을 그리면서 움직이는 수준이다. 연구팀은 "로봇 공학 분야에서 첨단 제어 기술 등과 비교해 하드웨어 발전이 더디다"며 "개발된 로봇 다리를 이후 네발 로봇이나 이족보행을 하는 휴머노이드 로봇에 결합해 활용할 수 있을 것"이라고 전했다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1038/s41467-024-51568-3

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]