우리 학교 기계공학과 박해원 교수 연구팀이 철제로 된 벽면과 천장에서 세계 최고의 등반 보행 속도를 기록한 사족 보행 로봇 ‘MARVEL (Magnetically Adhesive Robot for Versatile and Expeditious Locomotion)’을 개발했다고 지난달 26일 밝혔다. 홍승우, 엄용 박사과정이 주도한 이번 연구는 세계적인 국제 학술지 ‘사이언스 로보틱스(Science Robotics)’의 지난해 12월호 표지를 장식하는 논문으로 출판됐다.
 

핵심은 가볍지만 강한 흡착력 지닌 자석 발바닥

로봇 MARVEL은 벽과 천장을 포함한 다양한 철제 환경에서 빠르고 자유롭게 보행할 수 있다. 마치 영화 속 스파이더맨처럼 역동적으로 움직이며 요철이나 단차 장애물을 쉽게 극복하고, 민첩하면서도 안정적인 등반을 하는 것이 특장점이다. 이는 MARVEL만의 고유한 자석 발바닥 구조 덕분이다. 빠르게 탈부착이 가능해 보행 속도를 높였고, 흡착력을 유지하는 데 별도의 에너지가 필요하지 않아 에너지 소모가 매우 적다. 이 자석 발바닥의 무게는 약 169g에 불과하지만, 수직 방향으로 약 54kg, 수평 방향으로 약 45kg 정도의 무게를 지탱할 수 있다.
 

자석 발바닥의 비결은 영전자석과 자기유변탄성체

MARVEL의 자석 발바닥이 강한 흡착력을 유지하는 데 지속적인 에너지 공급이 필요하지 않은 것은 일반적인 전자석과는 다른 영전자석을 활용했기 때문이다. 뿐만 아니라, 연구팀은 기존 영전자석의 탈부착 성능을 개선한 새로운 구조의 영전자석을 제시했다. 이를 통해 자기력을 0.005초 만에 빠르게 켰다가 끌 수 있게 되어 자석 발바닥과 철제 표면의 즉각적인 탈부착이 가능해졌다. 영전자석을 보행 로봇 발에 적용하는 아이디어는 박 교수가 MIT에서 박사 후 연구과정 중 영전자석을 클러치*에 적용하는 과제를 수행하며 떠올렸고, 이후 구체화했다.

발바닥 패드를 구성하는 자기유변탄성체도 철제 벽에서의 고속 보행을 위한 중요한 요소다. 고속 보행에 필수적인 마찰력을 위해 기존의 보행 로봇들은 폴리우레탄 또는 고무 발바닥을 사용했다. 하지만 이런 비자성 소재들은 자석 발바닥에 공극(Air gap)으로 작용해 흡착력을 감소시킨다. 그에 반해 자기유변탄성체는 고무와 철가루를 섞은 특수 고무로 비자성 물질보다 자기장 투과율이 높다. 그 덕에 자기유변탄성체로 만든 패드는 영전자석의 자기력을 현저히 떨어뜨리지 않으면서도 발바닥의 마찰력을 높였고, 그 결과 직벽을 고속으로 보행할 수 있었다.
 

건설 현장 등 작업 자동화에 활용될 수 있어

이번 연구에서 개발한 사족 로봇은 철제 환경에서 민첩하면서도 안정적인 등반을 할 수 있다. 따라서 지속적인 점검과 수리가 필수적인 배, 교량, 송전탑, 대형 저장고, 건설 현장 등 철제 구조물에서 작업 자동화 목적으로 폭넓게 쓰일 수 있을 것이라 기대된다. 연구팀은 해당 로봇의 상용화를 위해서는 용도에 맞게 개선된 소프트웨어와 추가적인 검사 장비의 설치가 필요하다고 설명했다. 또한 추후 연구에서는 로봇이 사람의 개입 없이 주위 환경을 인식하고 최적의 경로로 이동할 수 있도록, 시각 센서 및 경로 생성 기술을 융합한 자율주행 기술 개발에 초점을 둘 것이라 밝혔다.

연구를 주도한 홍승우 박사과정은 “로봇의 최대 성능을 끌어내기 위해 하드웨어적 한계에 도달하는 실험을 많이 진행하며 기존에 생각하지 못했던 오류나 고장을 많이 맞닥뜨렸다. 그 원인을 분석하고 개선방안을 찾는 과정이 가장 어려웠지만, 교과서에서 배울 수 없는 지식을 몸소 체험하며 얻은 값진 경험이었다”라고 설명했다. 이어, 엄용 박사과정은 “직접 로봇을 만들고 제어하는 연구는 많은 사람들의 도움 없이는 불가능하다는 것을 느꼈고, 그분들께 감사를 전한다”라고 밝혔다.
 

*클러치
회전 운동 전달 장치로 동력 전달을 멈추고 헛돌게 하거나 다시 동력을 전달하는 것이 자유롭다.