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[뉴스엑스포_산업분석] ‘군사용에서 민간용으로’ 적용범위를 넓어지는 ‘외골격’-미래 먹거리 중의 하나 외골격 기술 연구 개발 지원 필요 있어
   
▲ 이제 더 이상 아이언 맨 슈트가 영화속 이야기만은 아니다. 슈트라 할 수 있는 동력형 외골격 개발 기술이 우리 눈앞의 현실이 되고 있다. <그래픽 뉴스엑스포 그래픽 팀 / 팀장 이진영>

[뉴스엑스포_산업분석] 영화 아이언 맨(Iron Man)의 주인공 토니 스타크가 착용하는 슈트(Suit)는 강화형 외골격 또는 동력형 외골격으로 분류되는 일종의 보조기구다. 영화에서는 자비스(Jarvis)라는 AI의 조력을 받아 아크 원자로라는 동력원으로 슈트를 동작시키는데, 현실에서 영화 속의 슈트를 그대로 구현하는 것은 기술적으로 쉬운 일이 아니다. 하지만 슈트의 원시적인 형태로 볼 수 있는 외골격 제품들은 이미 상용화단계를 앞두고 있어서 기술적 진보에 따라 영화 속의 슈트를 구현하는 것도 불가능하다고만은 할 수 없다.

외골격(Exoskeleton)은 외부(Exo)와 골격(Skeleton)이 합성된 단어로 원래는 곤충과 같이 딱딱한 겉껍질을 가진 동물에서 보이는 겉껍질과 같은 신체 구조를 의미한다.

인체 외부는 부드러운 피부로 둘러싸여 있고 골격은 인체 내부에 있는 인간과 달리, 곤충은 딱딱한 겉껍질이 신체 형태를 만들고 그 안쪽에 붙어 있는 근육으로 움직이는 신체 구조를 가지고 있다. 바로 이 점에 착안하여 인간이 착용할 수 있는 금속 혹은 기타 소재의 프레임(Frame)을 제작하고, 이 외골격에 동력원을 추가하여 인간의 활동에 도움을 줄 수 있도록 만든 것이 동력형 외골격이다.

기본적으로 외골격 역할을 하는 프레임은 인간에게 가해지는 힘이나 하중을 분산시키는 역할을 하는데, 이 매커니즘은 지팡이를 생각하면 쉽게 이해를 할 수 있다. 지팡이를 짚게 되면 인간 자체가 가진 무게(하중)을 다리와 지팡이로 분산할 수 있어 힘이 덜 소모되는 것처럼, 프레임이 외골격 역할을 하게 되어 걸리는 힘이나 무게를 분산하도록 하는 것이다.

한편 프레임의 자체 무게가 분산되는 힘이나 하중보다 무거우면 배보다 배꼽이 더 큰 형국으로 빠지게 되는데, 지팡이의 예로 돌아가서 설명하면 100kg중의 무게를 가진 지팡이를 사용한다면 무게 분산이 아니라 100kg중의 지팡이 자체 무게 때문에 더 힘이 들게 된다는 것이다. 이런 이유 때문에 일반적으로 동력형 외골격에는 동력원을 추가로 설치하는데, 현재는 전기나 공압(Pneumatic, 압축된 공기의 힘), 유압 등을 동력원으로 이용하고 있다.

◆ 초기에는 군사용으로 주목받았던 동력형 외골격

영화로도 방영된 적이 있는 스타쉽 트루퍼스(Starship Troopers)와 같은 공상과학 소설이나 스타크래프트와 같은 게임에서는 동력형 외골격의 군사적 이용가능성을 분명하게 제시하고 있다.

스타쉽 트루퍼스의 경우 인간의 신체 능력보다 월등하게 뛰어난 능력을 가진 버그(Bug, 우주 벌레)들에 대항하기 위해 파워드 슈트(Powered Suit)라는 동력형 외골격을 입은 기동보병을 등장시키고 있고, 스타크래프트의 경우에도 테란 종족 기본 유닛인 마린은 CMC 300/400라는 강화복을 입는 것으로 설정되어 있는데 이 또한 동력형 외골격의 일종으로 볼 수 있다.

SF 소설이나 게임과 같은 허구 세계에서만 동력형 외골격이 주목을 받는 것은 분명히 아니다. 대한민국 육군을 기준으로 한다면 작전 수행 시에 보병들이 어깨에 짊어져야 할 무게는 40kg중에 육박하는데, 이 정도 무게의 군장을 가지고 10km 이상을 행군한다면 보병들은 행군을 하는 것만으로도 체력이 방전될 가능성이 높다. 이런 상황에서 행군 직후에 보병들이 온전하게 전투를 할 수 있다고 기대하는 것은 무리다.

차량이나 헬기를 통해서 병력을 투입하는 방법도 있지만, 차량이나 헬기의 보유수는 한정적이며 대규모 보병을 투입할 때 차량이나 헬기를 대량으로 편성하는 것 또한 쉽지 않다. 따라서 인간의 능력을 뛰어넘는 외계 종족을 상정하지 않더라도 현실세계에서 동력형 외골격의 군사적 이용 가능성이 주목받는 것은 그리 이상한 일이 아니다.

현재 군사용 외골격 연구 개발은 미국이 앞장서고 있는 것처럼 보인다. 미국의 록히드 마틴(Lockheed Martin)사는 2010년 ‘헐크(HULC)’라는 동력형 외골격을 개발했는데 이 외골격을 착용한 병사는 90kg중 이상의 짐을 가지고 시속 16km로 달릴 수 있다고 알려졌다. 그리고 미국의 군수기업인 레이시온(Raytheon)사 또한 2010년 9월 군사용 외골격 ‘XOS2’를 공개했는데 특히 XOS2는 유연하고 정밀한 동작이 가능해서 착용자가 축구공을 찰 수도 있고 펀칭백을 두드리거나 계단, 경사로를 오르내릴 수도 있다고 알려졌다.

다만 동력원의 소형화 문제, 소음 문제 등 실전배치 전에 해결해야 할 문제들이 남아있기 때문에 현대 보병들이 군사용 동력형 외골격을 착용하고 전투에 나서기까지는 다소 시간이 걸릴 것으로 예상되고 있다.

◆ 민간용으로 주목 받고 있는 외골격

미국의 자동차 제조업체인 포드(Ford)는 최근 생산직 직원들에게 엑소베스트(EksoVest)라는 외골격을 지급하여 직원들의 부담을 경감시킬 계획이라고 밝혔다. 현재 포드는 디트로이트 공장 직원 4명에게 엑소 슈트를 지급하여 테스트를 하고 있는 것으로 알려졌는데, 당 슈트는 작업자에게 걸리는 무게를 분산, 노동 강도를 약화시키는 효과가 있는 것으로 알려졌다.

특히 포드가 테스트 중인 외골격은 ‘동력원이 없는’, 이른바 패시브(Passive) 외골격이라는 것에 특징이 있다. 패시브 외골격은 인간이 낼 수 있는 힘보다 훨씬 더 큰 힘을 내는 것은 어렵지만, 인체 공학, 역학적으로 설계되어 작업자에 걸리는 무게, 힘을 분산할 수 있고 비교적 구조가 단순하여 고장이 적으며 비용이 적게 드는 장점이 있다.

포드 외에 일본 기업들도 산업용 외골격의 연구 개발에 노력하고 있는데, 이는 일본 노동인구의 고령화로 인해 작업자의 부담을 덜어줄 필요가 있기 때문으로 분석되고 있다.

동력형 외골격은 산업 현장에서뿐 아니라 의료 분야에서도 주목을 받고 있다. 의료용 외골격연구 개발은 주로 ‘신체 거동이 불편한 환자’들의 재활 분야에 집중되고 있는데, 이는 의료용 외골격은 근력이 약해진 환자들에 걸리는 무게를 분산시키며 경우에 따라 외부 동력원을 통해 환자가 몸을 움직이는데 도움을 주는데 용이하기 때문이다.

국내에서는 ‘엑소아틀레트아시아’라는 기업이 국제의료기기박람회(KIMES 2018)에서 ‘엑소아틀레트-I(ExoAtlet-I)’을 선보인 바 있다. 해당 외골격은 척추 손상 등 하지에 장애를 가지고 있는 환자들을 위해 제작되었고, 착용자의 신체 사이즈에 맞춰 설정이 가능하고 8가지 보행 모드와 3가지 보행 속도를 설정할 수 있는 것으로 알려졌다.

해외에서는 일본 사이버다인(Cyberdyne)사가 제작한 의료용 외골격 ‘HAL’이 미국 FDA 승인을 얻은 것으로 알려져, 플로리다 주에 있는 사이버네틱 치료센터가 근시일 내에 가동될 수 있을 것으로 전망되고 있다.

동력원의 소형화, 소음 등의 문제로 군사용 외골격의 상용화가 늦어지고 있는 가운데 산업용, 의료용 외골격은 상용화에 성공하고 있다. 이는 인간보다 강하고 빠른 속도를 요구하는 군사용 외골격과 달리 산업용, 의료용 외골격은 인간의 활동을 보조하는 정도의 기능만을 요구하여 상대적으로 기술적 난이도가 낮기 때문으로 풀이되고 있다. 또한 상당기간 동안 대규모 분쟁이 없어 군사용 외골격에 대규모 투자를 할 여건이 되지 않기 때문에 당분간은 군사용 보다는 민간용 외골격 개발 속도가 빠를 것으로 예상되고 있다.

다만 군사용에 준하는 고성능 스펙의 외골격을 요구하는 민간 분야가 있는데, 이는 바로 소방 분야로 한국을 포함한 각국은 소방용 외골격 연구 개발에 열을 올리고 있는 실정이다.

국내에서는 FRT의 ‘하이퍼 R1’이 주목을 받고 있는데, 하이퍼 R1은 25kg중의 중량에 리튬 이온 배터리를 사용하여 연속으로 1시간 30분 정도 활동이 가능하고 소방관이 이 장비를 착용할 경우 체감 무게 부담이 30%정도 하락하며 시속 6km의 속도로 움직이는 것이 가능한 것으로 알려졌다.

해외에서는 최근 싱가포르에서 내놓은 오베론(Auberon)이라는 소방용 외골격이 업계의 관심도를 높이고 있다. 오베론은 화재에 대한 안전성을 높이기 위해 전기 모터 방식이 아닌 공압(Pneumatic, 압축된 공기의 힘을 이용하는) 펌프 방식이 적용되었는데 펌프 용량은 12층 높이를 3회 정도 왕복할 수 있는 분량으로 알려졌다.

현재 개발된 소방용 외골격의 경우 경량화, 화재 시 안전성, 동력원의 소형화 등의 문제 때문에 당장 실전 배치에 들어가는 것은 어렵다고 볼 수 있다. 다만 성능 좋은 외골격이 소방 현장에 투입된다면 소방관들의 부담을 줄일 수 있고, 그에 따라 구조 역량이 향상되는 것은 분명하기 때문에 소방용 외골격의 성능을 개선시키기 위한 연구를 지속적으로 지원할 필요는 있다.

초창기에 군사용으로 주목받았던 외골격이지만 그 사용 가능성이 점차 민간까지 광범위하게 확대되고 있는 상황에서, 미래 먹거리 중의 하나로 외골격 기술을 연구, 개발할 필요성은 있어 보인다.

임종인 기자  news@newsexpo.co.kr

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