중앙대 인간로봇융합연구센터, 육상선수와 함께 로봇슈트 검증 나선다

[IT동아 한만혁 기자] 산업통상자원부는 오는 2026년까지 성공 가능성은 낮지만 파급력이 큰 혁신 기술 개발에 도전하는 ‘알키미스트 프로젝트’를 진행하고 있다. 알키미스트 프로젝트는 ▲100m를 7초에 주파하는 로봇슈트 ▲1분 충전 600km 주행 전기자동차 ▲공기정화 자동차 ▲한계효율 극복 슈퍼 태양전지 ▲투명한 태양전지 ▲효율 한계 극복한 히트펌프 등 6개 과제로 나뉜다.

중앙대학교 인간로봇융합연구센터(이하 연구센터)는 알키미스트 프로젝트 중 ‘100m를 7초에 달리는 웨어러블 로봇슈트’ 과제의 주관기관이다. 연구센터는 여기에 두 가지 과제를 더했다. ‘12시간 이상 착용할 수 있는 편안함’과 ‘3kg 이하의 가벼운 무게’다. 단순히 빨리 달리는 것뿐 아니라 편안한 착용감까지 생각한 것이다.

연구센터는 이들 3가지 과제를 성공적으로 수행하기 위해 연구 개발에 매진하고 있다. 그런데 벌써 육상선수와 로봇슈트 러닝 테스트를 진행한다고 한다. 로봇슈트가 완성된 걸까?

연구센터 문준영 연구원(이하 문 연구원), 류재욱 연구원(이하 류 연구원)을 만나 연구 진행 상황에 대해 자세한 이야기를 나눴다. 이날 현장에는 오경수 선수(이하 오 선수)도 함께 자리했다. 오 선수는 로봇슈트를 착용하고 러닝 테스트에 참여하고 있는 국가대표 출신 육상선수다.

IT동아: 연구원님, 소개 부탁드립니다.

문 연구원: 저는 주로 기계, 구조 등 메커니즘에 대해 연구하고 있습니다. ‘가변 중력 보상 모듈’ 개발 관련 연구를 진행했는데요. 로봇이 무게를 들지 않은 것처럼 만드는 장비입니다. 로봇이 드는 무게 변화에 대응할 수 있다는 것이 큰 특징입니다. 이를 통해 구동기(actuator)에서 사용하는 에너지를 줄이는 것이 가능하고 크기를 좀 더 작게 만들 수 있다는 장점이 있습니다.

또한 인체 근육 활성도나 동작 분석 등 생체역학도 연구하고 있습니다. 저는 알키미스트 프로젝트 제안서 작업을 함께 했는데, 한동안 다른 연구를 하다가 지난해 가을부터 본격적으로 합류했습니다. 주로 오 선수와 협업해 생체 데이터를 취합하고, 이를 바탕으로 로봇슈트를 개발하고 있습니다.

류 연구원: 저는 기계적인 메커니즘 설계, 그중에서 스프링이나 고무밴드 같은 탄성체를 이용하는 패시브 시스템에 관한 연구를 하고 있습니다. 모터에 스프링 메커니즘을 추가해 모터 2개가 필요한 동작을 1개의 모터로 구현하는 연구와 스프링에 에너지를 저장해 고속으로 케이블을 감는 다이얼 관련 연구도 했습니다.

패시브 로봇슈트 관련 연구를 많이 하다 보니 센터장인 이기욱 교수님의 추천이 있었습니다. 로봇슈트 프로젝트 1단계 때부터 함께 하고 있고, 지금은 프로젝트 총괄을 맡고 있습니다.

IT동아: 로봇슈트 과제에 대해 소개 부탁드립니다.

문 연구원: 우선 저희가 개발하는 로봇슈트 작동 원리부터 말씀드릴게요. 사람의 동작은 관절이 움직이면서 만들어지고, 관절의 움직임은 근육의 수축과 이완에 의해 만들어집니다. 팔을 접어 보시면 알 수 있습니다. 이두박근의 수축과 삼두근의 이완을 통해 팔꿈치가 접히게 되죠. 로봇슈트는 근육과 협업해 추가적인 힘을 전달하는 역할을 합니다. 근육 형태나 위치를 모사해 근육처럼 움직이면서 동작을 도와주는 것이죠.

이런 로봇슈트를 만들기 위해서는 다양한 학문의 융합이 필요합니다. 로봇슈트 구조 개발, 각 구조를 움직이게 하는 동력원 및 제어 기술, 로봇슈트 효과 검증을 위한 생체역학 등이죠. 이 중 하나라도 부족한 부분이 있으면 성공적인 로봇슈트 개발이 어렵습니다. 저희 연구센터는 로봇슈트 완성에 필요한 다양한 기술의 전문가들과 협업하고 있습니다.

또한 성공적인 목표 달성을 위해 크게 3개 파트로 나누고, 체계적인 협업이 이뤄지도록 했습니다. 구동, 구조, 제어 파트가 바로 그것입니다.

류 연구원: 구동 파트는 큰 보조력을 내기 위한 공기압력 인공 근육 활용 연구를 진행 중입니다. 공기압력 시스템에 필요한 소음 저감 시스템과 공기 주입 카트리지 소형화 시스템도 개발 중입니다. 제어 파트는 로봇슈트 의복화에 맞춰 센서를 유연한 소재로 만들고자 합니다. 또한 착용자의 동작 의도를 인식해 편안하게 착용할 수 있는 알고리즘을 구현 중입니다. 구조 파트는 착용자에게 큰 힘이 가해졌을 때 생기는 충격 완화, 착용자 부상 방지, 낭비되는 에너지 재사용을 위해 탄성체나 기계적인 구조를 연구하고 있습니다.

현재 각 파트가 열심히 연구 개발에 매진하고 있습니다. 로봇슈트 과제는 저희 연구센터가 주관하고 서울대학교, 연세대학교, 카이스트 등 대학 연구팀과 분당서울대병원, 한국생산기술연구원, LS네트웍스, 폴리웍스, 비스, 쿠팡 등 기업이 공동연구기관으로 함께 하고 있습니다.

문 연구원: 로봇슈트 과제는 3개 파트가 개발한 기술을 통합 파트가 취합해 로봇슈트를 완성하는 프로세스로 진행됩니다. 각 팀이 로봇슈트 제작이라는 하나의 목표를 향해 달리고 있으며, 그 목표 달성을 위해 각자 맡은 부분에서 최선을 다하고 있습니다.

IT동아: 현재 파트별 연구가 진행 중이라고 하셨는데요. 벌써 로봇슈트를 이용한 테스트를 하신다고요?

류 연구원: 올해 각 팀 연구 성과를 통합하는 작업이 서서히 시작됩니다. 내년(4차 연도)부터는 저희가 본격적인 통합 작업을 주도할 예정이고요.

문 연구원: 사실 이번 과제를 주관하고 있는 입장에서 고민이 있었습니다. 각 파트 연구가 마무리된 후 통합 작업을 진행하면 로봇슈트 완성 시기가 너무 늦어진다는 것입니다. 테스트를 통한 개선 작업까지 생각하면 최종 결과물은 더 지연되겠죠. 그래서 주관기관인 저희가 먼저 움직이기로 했습니다.

마침 저희 연구센터에 이전에 개발한 로봇슈트가 있었습니다. 이 로봇슈트를 육상선수에게 입혀 테스트하고 거기서 나오는 피드백과 생체 데이터를 분석하면, 연구 방향과 개선점을 사전에 탐색할 수 있겠다고 생각했습니다. 그러면 추후 통합 단계가 좀 더 수월하고, 완성도 있는 로봇슈트를 빠르게 만들 수 있겠죠.

그러니까 본격적인 통합 단계를 진행하기 전에 미리 준비하고 있다고 보시면 됩니다. 아무래도 주관기관이다 보니 좀 더 책임감을 갖고 좀 더 신경 쓰고 있습니다.

IT동아: 육상선수와 테스트하기 전에 일반인 대상으로 테스트하셨다는 얘길 들었습니다.

문 연구원: 맞습니다. 사실 로봇이 사람의 에너지 사용량을 줄이는 건 알겠는데, 사람의 능력 향상에도 도움을 줄 수 있는지가 항상 궁금했습니다. 특히 로봇슈트가 달리기 능력 향상에 미치는 영향은 한 번도 검증된 적이 없었거든요.

일단 9명의 일반인을 대상으로 200m 전력 질주 시 로봇슈트 착용 유무에 따른 기록 변화를 측정했습니다. 로봇슈트를 착용하니 평균 기록이 약 1초 단축되더군요. 100m까지는 0.7초 정도가 줄었고요. 로봇슈트가 사람의 달리기 능력을 강화한다는 것을 실제로 확인한 것이죠. 이때 굉장한 희열을 느꼈습니다. 진짜 달리기 능력이 향상되는구나 싶었거든요.

IT동아: 그러면 육상선수와 협업하시는 이유는 무엇인가요?

문 연구원: 100m를 7초에 주파하기 위해서는 인간 능력을 극한까지 끌어올려야 합니다. 일반인보다는 이미 인간의 한계에 도전했던 운동선수와 협업하는 것이 유리하다고 생각했어요. 게다가 일반인은 빨리 달리기 위한 근육이나 힘 분배 같은 전문 지식이 상대적으로 부족하다 보니 저희가 의도하는 동작을 실현하기가 어려웠습니다. 저조차도 머리로는 이해가 되는데 몸이 안 움직이더라고요.

그래서 저희가 육상선수를 떠올렸습니다. 그분들은 자신의 한계까지 도전했고 몸이나 근육 상태를 잘 아니까요. 실제로 육상선수와 테스트할 때는 저희가 분석한 동작과 결과에 대해 설명하면 그걸 바로 수용하더라고요. 감각이 민감하니 로봇슈트의 개선 방향 같은 구체적인 피드백도 주시고요. 피드백이 명확하니 연구 방향 수립에도 많은 도움이 되고 있습니다.

IT동아: 그럼 오 선수님, 처음 이런 프로젝트에 대해 들었을 때 어떠셨어요? 아, 오 선수님 소개도 함께 부탁드립니다.

오 선수: 안녕하세요. 저는 10살 때 운동을 시작해서 작년까지 27년 동안 선수로 활동했습니다. 국가대표로 선발되어 세계 무대에도 섰죠. 100m가 주 종목인데요. 남자 400m 계주에서 한국 신기록(38.74초)을 가지고 있습니다. 선수 생활 이후에는 본투런 트레이닝센터 하남점에서 육상을 가르치고 있습니다. 지금은 로봇슈트 실험체입니다. 하하.

저는 로봇슈트 얘기를 들었을 때 너무 좋았습니다. 저는 예전부터 기술도핑을 이용한 훈련에 관심이 많았습니다. 기술도핑은 장비나 도구에 인간의 한계를 뛰어넘는 기술을 도입해 기록을 높이는 것을 말합니다. 물론 경기 중 기술도핑은 금지되어 있죠. 하지만 훈련 과정에서의 기술도핑은 기록 향상에 도움이 될 거라는 생각입니다. 선수 생활 때 이런 로봇슈트가 있었으면 좋겠다는 생각을 많이 했죠. 로봇슈트 프로젝트 얘기를 듣자마자 ‘빨리 입고 뛰어 보고 싶다’고 했습니다.

문 연구원: 정말 흔쾌히 허락해 주셨어요.

IT동아: 훈련 과정에서의 기술도핑이 기록 향상에 도움이 된다고요?

오 선수: 근육기억이라는 개념이 있습니다. 근육이 어떤 동작을 익히면 한참 후에 그 동작을 해도 금방 적응한다는 내용입니다. 자전거 타는 법을 생각하면 됩니다. 한 번 배우면 잊어버리지 않잖아요. 그리고 이런 경우도 있어요. 자전거를 타고 내리막길을 달리면 다리가 빨리 움직이는데, 그 직후 자전거에서 내려서 뛰면 다리가 생각보다 빨리 움직입니다. 그것이 바로 근육기억입니다.

이 개념이 선수에게는 이렇게 적용됩니다. 제가 뛸 수 있는 한계점보다 더 빠른 속도를 뛰어서 제 근육이 그 감각을 기억하고 적응하게 만드는 것이죠. 그러면 실제로 제가 뛸 수 있는 속도가 더 빨라집니다. 실제 선수들이 훈련할 때 쓰는 방법인데요. 보통 고정된 기계의 도움을 받아 앞이나 뒤에서 잡아당기면서 훈련하고 있습니다. 물론 한계는 있습니다. 실제 달리는 환경을 구현할 수는 없으니까요.

로봇슈트는 저의 한계점을 뛰어넘는 훈련을 할 수 있게 도와줄 수 있거든요. 그것도 실제로 뛰는 환경에서요. 로봇슈트를 착용하고 40km/h, 50km/h로 달리면서 근육이 그 속도를 기억하게 만들면 로봇슈트를 벗어도 빨리 뛸 수 있게 될 겁니다.

IT동아: 그럼 지금 테스트는 어떻게 하고 계시는 건가요?

오 선수: 제가 로봇슈트를 착용하고 직접 뛰어본 후 보완점을 말씀드리고, 그것이 수정되면 다시 입어보고 있습니다. 주로 제가 움직였을 때 어떻게 하면 더 큰 에너지가 나올 수 있는지에 대해 피드백 드리고 있습니다.

문 연구원: 사실 오 선수와는 이해관계가 잘 맞았습니다. 저희는 빨리 달리게 해야 하는 사람들이고, 오 선수는 빨리 달리고 싶은 사람이거든요. 특히 선수 생활 때부터 로봇슈트를 통한 능력 향상에 관심이 있던 분이라서 상당히 적극적입니다. 그래서 더 가감 없이 피드백을 주시고 저희도 피드백을 수용해 새로운 시도를 하고 있습니다. 덕분에 교류도 활발하고 굉장히 긍정적인 시너지가 나고 있습니다.

IT동아: (오 선수에게) 로봇슈트를 실제 착용해 보셨잖아요. 느낌이 어떤가요?

오 선수: 사실 처음에는 영화에서 보는 그런 슈트를 생각했는데 현실은 달랐습니다. 하하. 어쨌든 예상보다 보조를 잘 하더라고요. 제가 쓸 수 있는 에너지가 10% 정도 늘어나는 것 같아요. 아직 개발 중이긴 하지만 완성되면 큰 도움이 되겠다는 생각이 들었습니다.

IT동아: 구체적으로 어떤 피드백을 주셨나요?

오 선수: 빨리 달리려면 근육에 쓰는 힘과 이 힘을 전달하는 타이밍이 중요합니다. 그래서 그 부분에 맞춰 피드백을 드리고 있어요. 다리의 경우 지면에 닿기 전에는 힘을 빼야 하고 지면에 닿았을 때 힘을 써야 합니다. 미리 힘을 주면 에너지가 낭비되죠. 그 타이밍을 맞추는 게 중요합니다.

문 연구원: 보조 근육 부분에 대한 피드백도 도움이 됐습니다. 저희가 원래는 엉덩이 근육을 보조하는 방식이었습니다. 그런데 오 선수가 달릴 때는 허벅지 뒤에 있는 근육을 많이 쓴다고 하더라고요. 그래서 보조 위치를 변경했습니다. 지금까지 한 번도 시도해 보지 않았던 위치여서 달리기 데이터를 취합하고 분석하면서 근육 활성화 타이밍에 맞춰 보조하도록 조절하고 있습니다.

IT동아: 로봇슈트를 입으면 실제로 기록이 단축되나요?

오 선수: 마침 오늘도 테스트했는데요. 사용하는 에너지가 줄어드는 것을 확실히 체감할 수 있었습니다. 트레드밀에서 뛰었는데 11m/s, 그러니까 39.6km/h까지 속도를 냈습니다. 평소보다 확실히 잘 뛰어지더라고요. 한 10% 정도 가볍게 뛸 수 있었던 것 같습니다. 마치 내리막을 뛰는 것 같은 느낌이었어요. 아직 트랙을 뛰어본 건 아니지만, 실제로 뛰었을 때 확실한 기록 향상 효과가 있을 것 같습니다.

IT동아: 앞으로 개선의 여지가 남아 있다는 것을 감안하고, 2026년에 100m를 7초에 달리는 것이 가능할까요?

오 선수: 우사인 볼트가 세계 기록을 세울 때 평균 속도가 44km/h였습니다. 손흥민 선수는 최고 속도가 35km/h이고요. 제가 계산해 보니 100m를 평균 50km/h로 뛰었을 때 7.20초가 나옵니다. 어마어마한 숫자죠.

문 연구원: 사실 100m를 7초에 달리는 건 굉장히 어려운 문제입니다. 오늘 오 선수가 기록한 최고 속도(39.6km/h)로 100m를 달리면 9.09초가 나옵니다. 저희 목표인 7초와는 많은 차이가 있죠. 하지만 로봇슈트가 안정화되고 지속 발전되면 한국 신기록(10.07초)을 넘어 9초대는 가능하지 않을까요?

IT동아: 이렇게 개발된 로봇슈트가 어떤 분야에 어떻게 활용될까요?

문 연구원: 로봇슈트 개발 과정에서 나온 다양한 파생 기술이 재활이나 물류 등 산업 현장에 도움을 줄 것 같습니다. 몸이 불편하거나 근력이 떨어진 분들의 재활 훈련을 돕고, 근로자의 부상 위험을 줄이는 방향으로 기여하지 않을까 생각합니다.

그리고 이번에 테스트하면서 느낀 건데요. 육상선수 개인에 맞춘 훈련 시스템을 만들 수 있을 것 같습니다. 빨리 달리기에 이상적인 자세가 있는데 로봇슈트가 그 자세를 자연스럽게 유도하도록 도울 수 있을 것 같습니다. 스포츠 분야에도 기여할 수 있는 부분이 있을 것 같습니다.

오 선수: 저도 기술도핑을 생각하고 있습니다. 특히 육상선수에게 적용했을 때 선수 역량을 강화할 것 같습니다. 육상 외에 다른 종목 선수들에게도 기초체력을 키우는 데 도움이 되겠죠.

IT동아: 이제 마지막으로, 이번 연구를 통해 얻고자 하시는 부분이 있으면 말씀 부탁드립니다.

문 연구원: 로봇슈트를 통해 선수들의 개인 기록, 한국 기록, 세계 기록을 순차적으로 달성하고 마지막으로 7초대에 진입하는 것이 목표입니다. 그리고 다양한 파생 기술이 여러 산업 현장에서 활용될 수 있으면 좋겠습니다. 이를 통해 국내 산업 발전, 로봇 시장 확장 부분을 저희가 선도하길 희망합니다.

류 연구원: 개인적으로 이번 연구가 끝까지 안전하게 진행됐으면 좋겠습니다. 그리고 다양한 파생 기술이 나오고 관련 기술이 발전하는데 기여하면 좋겠습니다. 로봇슈트 분야에 대한 관심이나 흥미를 높이는 계기도 되고요.

글 / IT동아 한만혁 (mh@itdonga.com)