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태권V 10대기술 - 10대 기술이 탄생하기까지


'로보트 태권V’를 만화영화에서 현실로 끄집어낼 수는 없을까. 이런 호기심으로 ‘태권V 부활 프로젝트’는 시작됐다.

몇 달 동안 수많은 사람들을 만났다. 여러 과학자들이 태권V를 만들어 보자고 약속했다. 특히 지능로봇 21C 프론티어사업단장인 김문상 박사(KIST)와 KAIST 오준호 교수가 많은 도움을 주었다.

태권V를 만들기 위해서는 로봇의 정확한 규격이 필요했다. 방대한 자료를 갖고 있는 태권V 팬클럽과 1976년 필름을 복원한 영화진흥위원회, 새로운 태권V 시리즈를 준비하고 있는 영화사 신씨네 사람들에게 정보를 얻었다.

가장 기본이 되는 태권V의 키에 대해서는 20~100m까지 다양한 설이 있었다. 우리는 김청기 감독이 주장한 ‘56m설’을 공식 채택하기로 했다.



태권V의 무게는 어디에도 공식 자료가 없었다. 우리는 한국의 첫 휴머노이드 휴보의 키(1.2m)와 무게(54kg)를 근거로 태권V의 무게를 계산했다. 약 5600t이 나왔다. 태권V는 첨단 소재를 이용했을 것이며 훨씬 가벼운 무게로 더 강한 힘을 낼 수 있을 것이다. 우리는 이런 가정에 근거해 5600t의 1/4, 즉 1400t을 태권V의 무게로 계산했다.

과학자들의 자문을 토대로 재료, 센서, 에너지원, 구동기, 시스템 디자인, 동작제어, 무기, 비행, 뇌파조종, 기지 등의 10대 기술을 선정했다. 다른 기술도 필요하겠지만 56m의 거대 로봇을 만들기 위해 꼭 필요한 핵심 기술이었다.

태권V는 다양한 태권도 동작을 소화해 내고, 자유롭게 비행하며, 뛰고, 달리고, 공중 제비돌기도 한다. 내려치기 한 번에 적 로봇이 부서지고, 가슴에서 광자력빔을 발사한다.

프로젝트에 참가한 과학자들은 때론 치밀한 논리와 계산으로, 때론 만화적 상상력을 발휘해 10대 기술을 완성했다. “태권V 10대 기술을 생각해 주세요”라는 첫마디에 황당하다는 웃음을 지었던 그들이지만 시간이 지날수록 30년 전에 꾸었던 꿈을 복원하기 위해 진지하게 매달렸다.

모든 이들의 노력으로 마침내 태권V가 부활했다. 이 자리를 빌어 다시 한번 감사드린다. 이제 독자들이 30년 전에 시작된 상상을 즐기며 18층 건물 높이의 태권V를 신나게 조종할 차례다. 그 비밀이 다음 장에 있다. 이제 페이지를 넘기자.



1.동작제어 - 스스로 배우는 싸움의 기술
태권V는 걷고, 달리고, 뛰어오르며, 날아다닐 수 있다. 그러나 현재 가장 앞서 있는 일본의 아시모조차 단지 걷고, 시속 6km 속도로 달려가고, 층계를 오를 수 있을 뿐이다. 사람은 오랜 기간 학습된 무의식적 반응으로 균형을 유지하며 복잡한 동작을 연속 수행할 수 있으나 로봇은 아무리 간단한 동작이라 할지라도 컴퓨터 시뮬레이션과 실험을 수없이 반복해 만들어지기 때문이다. 태권V는 현재 수준의 동작제어 방식으로 조종할 수 없다. 이 문제를 해결하려면 로봇이 움직이면서 스스로 균형을 유지할 수 있는 자기학습 능력과 눈으로 외부의 동작을 인식해 흉내 낼 수 있는 기능을 태권V에 적용해야 한다. 일본의 한 로봇은 사람이 탁구치는 모습을 보고 흉내낸다. 미래에는 로봇도 사람과 비슷한 학습능력을 갖게 되어 눈으로 보고 설명만 들으면 태권도와 같은 동작을 스스로 배울 수 있는 수준까지 발전할 것으로 예상된다. 이렇게 되면 로봇을 조종하는 사람은 일일이 손과 발을 움직이도록 제어할 필요 없이 “뛰어”, “2단 옆차기 공격”, “뒷다리 걸기 공격” 같은 명령 만으로 로봇을 움직일 수 있다.



2.비행 - 태권V의 3분 비행
현재의 로켓 기술을 이용하면 태권V가 3분 정도 나는 것은 가능할 것이다. 지구궤도로 날아갈 필요가 없다면 태권V의 이륙추력은 총 무게(1400t)의 1.21배인 1700t이면 가능할 것이다. 1994년 러시아가 개발한 RD-172 로켓엔진 (액체산소와 석유를 추진제로 사용해서 851t의 추력을 낸다) 2개를 달면 위로 솟아오를 수 있다. 태권V 무게의 70%에 해당하는 980t을 로켓 추진제로 사용한다면 약 200초 정도 계속 비행할 수 있다. 추진제는 양 다리와 몸통에 채울 수 있다. 즉 현재 기술로도 키가 56m에 몸무게가 1400t인 태권V를 3분 동안 날게 하는 것은 충분히 가능하다. 사람이 점프를 해서 뛰어 오르듯이 미래의 로봇이 점프를 할 수 있고 여기에 로켓엔진을 이용한다면 로켓만 이용하는 것보다 훨씬 자유스럽게 날 수 있을 것이다. 1996년 5월 미국은 최신형 로켓 DC-XA를 시험했다. 높이가 12m로 아래 부분이 넓은 사각뿔 모양의 이 로켓은 태권V 몸통을 닮았다. 이 로켓은 18초 동안 224m를 수직으로 상승했다가 30초까지는 옆으로 수평이동을 하였다. 그리고 수초 동안 공중에 머물다가 다시 땅으로 사뿐히 내려왔다. 총 비행시간은 62초였다. 지금까지 인류가 개발한 로켓 중 태권V와 가장 비슷한 비행을 한 것으로 보인다. 영화처럼 자유스럽게 날아다니는 태권 V는 공상과학소설에 등장하는 반중력기술, 즉 태권V의 몸무게를 순간적으로 아주 가볍게 할 수 있는 기술이 개발된다면 가능할 것이다.



3.뇌파조종 - 생각만 해도 움직이네
태권V 자체는 스스로 생각하는 뇌가 없다. 평소에는 조종사인 훈이가 조종대를 잡고 움직이지만 긴급하면 뇌파를 공조(싱크)해 움직인다. 이때 ‘뇌-로봇(기계) 접속 기술’(BMI)이 필요하다. 뇌파를 활용한 BMI기술은 현재 컴퓨터 화면에서 커서를 생각에 따라 움직이는 정도지만 정확하지는 않다. 두피에 붙인 전극을 통해 기록하는 뇌파가 인간의 생각을 구체적으로 표현해 주지 못하기 때문이다. 이러한 한계를 극복하기 위해 두개골에 구멍을 내고 최대한 대뇌피질 가까이 전극을 꽂는 기술이 있다. 10년 전부터 운동정보를 처리하는 두뇌 속에 많은 미세전극을 심어서 실시간 운동명령정보를 받아 기계를 제어하는 기술이 주목받고 있다. 현재 어깨, 팔, 손목관절의 운동을 실시간 실현할 수 있다. 태권V의 정권찌르기, 발차기 동작은 이런 기술로 가능할 것이다. 그러나 손가락의 섬세한 움직임은 아직 연구 대상이다. 만화영화처럼 깡통로봇을 손가락으로 집어올리는 동작은 현재는 불가능하다. 조종사 훈이가 태권V에 직접 타고 있을 필요도 없다. 원격무인조정이 가능하기 때문이다. 다만 뇌 속에 전극을 심어야 한다면 과연 누가 기꺼이 태권V를 탈지 고민이다. 뇌에 미세전극을 심지 않고도 로봇을 조정하는 기술은 빛을 활용한 뇌기능 영상장치를 BMI기술과 결합하면 가능할 것이다.


뇌기능 영상장치를 이용하면 생각만으로도 로봇을 조종할 수 있을 것이다.
4.무기 - 광자력 레이저의 톡 쏘는 맛
로켓 주먹이 적 로봇을 정확히 타격하고 다시 제 위치로 돌아오려면 정밀한 비행제어시스템과 역추진 엔진이 필요하다. 손등에서 발사되는 휴대용 미사일은 후폭풍과 충격을 감안해 가능하면 ‘앉아쏴’ 자세로 발사하며, 미사일을 로봇에서 튀어나오게 한 뒤 발사하는 방식이 필요하다. 눈 또는 입에서 쏘는 레이저 광선총은 현재의 기술 추세라면 가까운 장래에 접하게 될 것이다. 미국은 2015년경 레이저를 전장에서 실제 무기로 활용할 계획이다. 가슴에서 발사되는 광자력 빔은 일종의 레이저라고 볼 수 있다. 광자력 빔은 레이저를 발생시키는 매질에 ‘자바늄’이라는 가상의 물질을 사용한다. 실제로 레이저는 매질에 따라 ‘루비레이저’, ‘탄산가스레이저’ 등으로 분류된다. ‘자바늄’처럼 에너지 변환 효율이 월등한 신물질을 만든다면 광자력 빔과 같은 무기도 가능하다. 레이저의 파장을 적절히 조율하면 사막 아래의 기지를 파괴할 수도 있다.



5.센서 - 태권로봇의 오감만족
복잡한 상황과 상대방의 움직임에 대응하기 위해선 태권V도 다양한 감각기관을 가지고 있어야 한다. 제일 중요한 것은 자신의 움직임을 파악하는 평형감각이고, 다음이 접촉하는 물체의 특성을 이해하는 촉각, 먼 지형이나 대상을 파악하는 시각이 그 다음 순서다. 청각은 상대의 위치를 소리로 파악하거나, 좀 더 발전된 태권V가 조정자의 말을 이해하는 상황에서만 필요하다. 후각 역시 위험을 파악하는 한 방법으로만 의미가 있으며, 미각은 아마도 불필요할 것이다.

사람의 귀에는 세반고리관이 있어서 평형감각을 얻을 수 있다. 태권V도 이와 유사한 센서를 가질 것으로 생각되는데, 미세전자기계시스템 (MEMS)을 이용한 3차원 가속도 센서가 적합할 것이다. 3차원 가속도를 측정하여 적분하면 시간에 따른 속도와 위치의 변화를 알 수 있어 움직임을 실시간으로 적절히 제어할 수 있다. 물체를 집거나 뛰기 위해서는 물체 표면이나 바닥의 미끄러움을 파악하는 것이 필요한데, 이는 손 안쪽과 발바닥에 부착된 촉각 센서에 의해 가능하다.

시각은 주위 환경과 장애물을 파악하는데 매우 중요한 수단이다. 또한 움직임에 대한 계획을 미리 세울 수 있게 한다. 디지털 카메라가 1000만 화소 이상의 성능으로 시각 센서 역할을 하고 있으나, 균일하지 않은 조명이나 반사에 의한 영상 왜곡을 보상하는 것이 필요하다. 보행과 발차기 같은 정교한 움직임은 미리 학습된 기본동작을 바탕으로, 가속도 센서, 발바닥의 촉각센서, 시각센서를 포함하는 인공시각에서 입수한 3차원 정보를 종합한 것이다.


미세전자기계시스템을 이용해 만든 3차원 가속도 센서. 극미세가공기술의 발전에 따라 상대적으로 큰 부피를 차지하는 자이로스코프를 대체할 전망이다.
6.재료 - 울트라라이트나노바이오 초합금이라니까
태권V는 절대로 몸이 찢어지거나 깨지지 않는다(물론 ‘태권V 수중특공대’ 편에서 적들과 싸우다가 한쪽 팔이 부서진 적도 있지만). 로켓 주먹과 발이 날아가서 상대와 부딪혀도 망가지는 법이 없다. 그러나 두 물체가 빠른 속도로 부딪히면 양쪽에 같은 크기의 충격이 가해지고 결국 재료가 변형되고 균열이 생기면서 여러 조각으로 깨지는 것이 일반적이다. 하지만 재료에 탄성이 있을 경우 하중만 사라지면 재료는 다시 원래의 형태로 돌아가고, 손상을 받지 않는다. 태권V의 소재인 초합금(흔히 자바늄이라고도 함)은 탄성 강도가 상대 로봇 재질의 파괴 강도보다 훨씬 큰 소재일 것으로 보인다. 물론 지금 수준에서는 이런 소재로 무게가 1400t이 넘는 거대로봇을 만들 수는 없으나, 항복 강도 2GPa(기가파스칼)을 훨씬 넘는 비정질 금속, 탄소나노튜브 같은 소재들은 일부 개발된 상태다. 상대의 강한 공격에 태권V가 손상을 입어 표면이 파괴됐다면 금속에 강도가 우수한 세라믹을 겹겹이 끼운 세라믹 복합 장갑이나 ‘세라믹+탄소 섬유 복합 장갑’일 수도 있다.

한발 앞선 소재로 전복껍데기를 본 따 마이크로미터 크기의 고강도 벽돌을 금속에 규칙적으로 배열해 표면에 균열이 생겨도 더 이상 파괴되지 않는 재료를 상상해 볼 수도 있을 것이다. 또 이들 재료가 적 무기에 공격받아 온도가 높아지더라도 심각한 손상을 받지 않으려면, 용융점이 아주 높은 텅스텐, 몰리브덴, 니오븀, 탄탈륨 같은 금속을 포함해야 할 것이다.

이밖에도 파괴된 부분을 스스로 치유하고, 재생하는 스마트소재나 조종사의 생체신호에 반응하는 첨단 소재기술이 곳곳에 필요하다.


마이크로미터 크기의 벽돌을 전복 껍데기 구조로 쌓으면 균열이 생겨도 쉽게 파괴되지 않는 고강도 재료를 얻을 수 있다. 전복 껍데기 구조(위)와 레이저빔을 막아내는 태권V.
7.힘 - 인체를 모방한 태권로봇의 근육
기름이나 공기가 밀고 당기는 힘을 이용해 로봇을 움직이는 지금의 기술은 한계가 많다. 여러 가지 부속장치가 늘어나 로봇 크기도 커질 뿐더러 정교한 제어가 힘들다. 사람 팔을 본 따 개발된 매니퓰레이터(로봇팔)는 6~7개의 관절로 이뤄져 있지만 속도와 힘은 길항관계다. 하지만 태권V는 속도와 힘 두 마리 토끼를 모두 잡아야 한다. 인간의 근육과 골격 모델이 여기에 활용될 수 있다.

사람 팔은 7가지 형태로 움직이는데 이는 로봇의 7개 관절에 모터와 감속기가 달려있는 것과 같다. 하지만 좀 더 살펴보면 팔 운동에는 이보다 더 많은 29개의 작은 근육(모터)들이 관여한다는 사실을 알 수 있다. 이들은 서로 간섭하고 상호작용하면서 모터 7개가 생성하는 힘보다 훨씬 더 큰 힘을 생성한다. 체중 60kg인 사람이 자기 체중의 2분의 1인 30~40kg을 들어 올린다는 사실만 봐도 잘 알 수 있다. 거대로봇도 이 같은 인간형 모터 방식을 활용한다면 큰 힘을 발휘할 수 있다. 인간형 모터는 큰 힘과 큰 속도라는 두 가지 요건을 충족시키며 동작이 부드럽고 소음도 없다. 더구나 외부 충격까지 흡수한다.

현재 이런 연구의 일환으로 EAP(Electro-active Polymer)에 대한 연구가 깊이 있게 진행되고 있다. 물론 아직까지 사람의 근육과 같은 성능과 효율을 낼 수 있을 만큼 만족스럽지 않다. 하지만 재료와 전기기술의 발전 속도에 비춰봤을 때 인간형 모터기술은 실현 가능하며 거대로봇에 활용될 날도 그리 머지 않았다.


인간의 근육은 가장 유연하고 큰 힘과 속도를 낼 수 있는 작동기(액츄에이터)다. 거대로봇 태권V 역시 이를 모방해야 할 것이다.
8.에너지 - 태권V 힘의 원천은 핵융합
키가 56m인 태권V의 심장 역할을 하려면 핵융합 발전로 크기는 지름 3~4m, 높이는 10m를 넘지 않아야 한다. 또 로켓 대신 핵융합 에너지를 추진력으로 사용할 수 있어야 공간을 줄이고 구조를 간단하게 만들 수 있다. 이 조건에 가장 부합하는 핵융합로로 미국항공우주국(NASA)이 구상하고 있는 미래 우주선용 엔진이 있다. NASA는 적은 양의 연료로 큰 추진력을 내는 핵융합 추진체를 현재 개발하고 있는데 이 장치는 발전기로도 사용할 수 있어 태권V의 에너지원으로 적당하다. 특히 이 가운데 TV발명가 판스워즈(과학동아 1월호 참조)가 구상한 ‘관성정전형 핵융합로’는 한때 잊혀졌다가 1990년대 다시 등장한 모델이다. 대형 전자석이 필요 없으며 핵융합 반응에서 생겨난 전하 물질의 운동에너지를 전기에너지로 직접 바꾸는 방식이다. 특히 에너지를 전자빔으로 바꾼 뒤 이를 다시 액체산소에 섞어 분사하면 엄청난 추력을 발생시켜 로켓을 대체할 수도 있다. 실제로 인터넷에는 앞으로 몇 년 후 집이나 자동차, 로봇에서 사용할 수 있는 저온 핵융합로 광고 사이트도 올라 있다.


핵융합은 태권V의 에너지원으로서 가장 가까이 다가서 있다. 사진은 핵융합로
9.시스템 디자인 - 몸짱 로봇의 체조건은?
현존하는 휴머노이드 가운데 가장 유명한 휴보의 크기가 1.2m이고 무게가 55kg이니 키가 56m나 되는 태권V 몸무게를 같은 방식으로 환산하면 5600t이라는 수치가 나온다. 하지만 이 정도 수치라면 로봇은 비행은 커녕 한 걸음도 움직일 수 없게 된다. 태권V는 이름 그대로 태권도 기술이 가장 큰 무기인데 발차기 동작으로 상대를 파괴 하려면 엄청난 속도로 다리를 내지르거나 자체 질량을 늘려 충격량을 늘리는 방법 밖엔 없다.

하지만 로봇의 몸무게가 늘수록 움직이는데 필요한 에너지와 힘은 함께 늘어나게 된다. 또 태권V가 자유롭게 날아다니려면 추진체와 유선형 몸체가 필요한데 이를 위해 비행할 때 양력을 얻기 위한 일체형 구조로 변신해야 한다.

따라서 적 로봇의 다양한 공격을 견딜 수 있는 강인하지만 가벼운 재질과 최대 순간 속도를 낼 수 있는 혁신적인 구동장치가 필요하다. 또 날아다니는 팔과 다리로 상대를 공격할 수 있으려면 이들 안에 연료장치, 추진체, 제어장치, 통신장치가 들어가야 한다.



10.기지 - 남해안에 태권V 산다
만화영화 속 태권V 기지는 현재 기술로도 충분히 지을 수 있으며 특별한 공법이 필요하지는 않다. 격납고는 로봇의 키(56m)에 상하좌우로 최소한 15m를 추가해야 태권V를 수리할 만한 공간이 확보된다. 1400t의 무게를 견디려면 콘크리트판 바닥이 매우 두꺼워야 하며 지반 조건도 좋아야 한다. 태권V가 서 있다고 봤을 때 발바닥 아래 바닥을 특히 강화해야 한다. 기지 재료는 콘크리트, 강재 모두 가능하며, 외관을 고려하면 강화유리로 지을 수도 있다. 폭격이나 지진에 대비해 내진설계 등 특수 설계가 필요하다. 보안상 지하나 반지하가 적당하다. 기지 위치는 만화영화 속에서는 산 속이지만 실제로 태권V가 로켓처럼 이륙하기 위해서는 우주기지가 있는 남해안 외나로도가 적당해 보인다. 우주센터 부지가 150만평이고 시설은 약 8만평 정도이니 기지 공간은 충분해 보인다. 문제는 태권V가 이륙할 때다. 로켓 엔진 방식을 이용하므로 이때 엄청난 열과 가스가 발생한다. 이를 재빠르게 배출하고 바깥 공기를 주입하는 1종 환기 시설을 설치해야 한다. 돔구장의 개폐 장치를 이용해 격납고 돔을 연다.

걸어서 기지로 들어가는 태권V. 로봇기지는 지반이 튼튼한 곳에 지어야 한다.
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