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동력형 외골격

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목차

1. 개요

동력형 외골격은 착용자의 움직임을 보조하거나 증폭시키는 장치로, 1890년 러시아에서 처음 개발된 이후 군사, 의료, 산업 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 초기에는 수동적인 방식이었으나, 유압, 전기 등을 이용한 능동형 외골격으로 발전하면서 하반신 마비 환자의 재활, 군인의 근력 강화, 산업 현장의 작업 보조 등 다양한 목적으로 사용된다. 외골격은 구조, 작동 방식, 동력 기술, 목적, 적용 분야에 따라 분류되며, 기술적 한계와 안전 문제, 윤리적 문제와 사회적 영향에 대한 논의도 진행되고 있다. 최근에는 한국을 포함한 여러 국가에서 의료 및 재활, 산업, 군사용 외골격 개발이 활발히 이루어지고 있으며, 엔젤로보틱스, 사이버다인 HAL 5, 파커 해니핀의 인데고 외골격 등 다양한 제품들이 상용화되어 있다.

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동력형 외골격
개요
HAL 5
HAL 5
종류웨어러블 로봇
용도증강된 힘
내구력
기동성
응용 분야군사
산업
의료
재활
종류
구동 방식전기
공압
유압
하이브리드
제어 방식자율
원격 조작
혼합
기타
관련 기술로봇 공학
제어 시스템
센서
인공 지능

2. 역사

외골격의 개념은 19세기 후반부터 등장했다. 초기에는 단순한 운동 보조 장치 수준이었지만, 20세기 중반 로버트 A. 하인라인의 SF 소설 《스타십 트루퍼스》를 통해 군사용 강화복 개념이 대중화되었다. 이 소설에서 묘사된 강화복은 보병에게 "고릴라도 쉽게 쓰러뜨릴 괴력"과 "전차 수준의 장갑", "전투 헬기 이상의 기동력"을 제공하는 장비였다. 하인라인의 강화복은 착용자의 움직임을 피드백하여 움직이는 "마스터 슬레이브 방식"을 채택했는데, 이는 탑승·조종형 인형 병기와의 차이점이다.

일본어에서는 강화복을 '''강화복''', '''강화 수트''' 또는 '''로봇 수트'''라고 부른다.[102][103] 의료, 간병, 물류 등 중량물을 다루는 작업에 사용되는 것은 '''파워 어시스트 수트''' 또는 '''어시스트 수트'''라고도 한다.[101]

2. 1. 초기 개발

1890년 러시아의 엔지니어 니콜라스 야긴은 운동 보조 장치를 개발했다. 이 장치는 압축된 가스 백에 저장된 에너지를 사용하여 움직임을 보조했지만, 수동적이었고 사람의 힘이 필요했다.[7] 1917년, 미국의 발명가 레슬리 C. 켈리는 증기 동력으로 작동하고 착용자의 움직임과 평행하게 작동하는 인공 인대를 가진 페도모터라는 장치를 개발했다.[8] 이 시스템은 외부 동력으로 인간의 힘을 보충할 수 있었다.

1960년대에는 제너럴 일렉트릭과 미국 군대가 공동으로 하디만이라는 슈트를 개발했다. 이 슈트는 유압과 전기로 구동되었으며 착용자의 힘을 25배 증폭시켰다. 그러나 680kg에 달하는 무거운 무게와[9] 불안정한 움직임 때문에[10] 프로젝트는 성공하지 못했다.[11]

같은 시기에 미하일로 푸핀 연구소에서 미오미르 부코브라토비치 교수가 이끄는 팀에 의해 초기 능동형 외골격과 휴머노이드 로봇이 개발되었다.[12] 1972년에는 공압으로 구동되고 전자적으로 프로그래밍된 하반신 마비 환자 재활용 능동형 외골격이 베오그라드 정형외과 병원에서 테스트되었다.[13]

2. 2. 현대적 발전

1985년, 로스 알라모스 국립 연구소(LANL)의 한 엔지니어가 보병용 동력 갑옷인 피트맨이라는 외골격을 제안했다.[14] 이 설계에는 헬멧에 뇌 스캔 센서가 포함되었지만, 너무 미래 지향적으로 여겨져 실제로 제작되지는 않았다.[15]

1986년, 몬티 리드가 외골격을 디자인했다. 몬티 리드는 낙하산 사고로 허리를 다친 미 육군 레인저였다.[16] 병원에서 회복하는 동안 그는 로버트 하인라인의 SF 소설 ''스타십 트루퍼스''를 읽었고, 하인라인의 이동식 보병 동력 슈트에 대한 묘사는 리드에게 지지적인 외골격을 설계하도록 영감을 주었다. 2001년, 리드는 이 프로젝트에 전념하기 시작했고, 2005년에는 워싱턴주 시애틀에서 열린 성 패트릭 데이 대시 경주에서 12번째 프로토타입을 착용했다.[17] 리드는 경주를 평균 속도 로 완주하여 로봇 슈트를 입고 걷는 최고 속도 기록을 세웠다고 주장한다.[18] 라이프슈트 프로토타입 14는 완전 충전 시 을 걸을 수 있으며 착용자를 위해 을 들어 올릴 수 있다.[19]

3. 분류

동력형 외골격은 구조, 작동 방식, 동력 기술, 목적 및 적용 분야에 따라 다양하게 분류된다.[20] 이러한 분류는 외골격의 다양한 특성과 용도를 이해하는 데 도움을 준다.

3. 1. 구조

강성 외골격은 사용자의 신체에 부착되는 구조적 구성 요소가 금속, 플라스틱, 섬유 등과 같은 단단한 재료로 만들어진 외골격을 말한다. 반면 소프트 외골격(외골격 슈트)은 섬유와 같이 구조적 구성 요소의 자유로운 움직임을 허용하는 재료로 만들어진다.[20]

3. 2. 작동 방식

작동 방식 범주는 외골격이 사용자에게 제공하는 도움의 유형을 설명한다. 능동형 외골격은 사용자가 에너지를 공급할 필요 없이 외부 소스로부터 사용자에게 "능동적인" 지원을 제공한다. 수동형 외골격은 작동하기 위해 사용자가 움직임을 수행해야 하며, 단지 이를 용이하게 할 뿐이다. 하이브리드 시스템은 능동형과 수동형의 혼합을 제공한다. 동력 기술은 전기, 유압 및 공압 액추에이터로 더 세분화된다.[20]

3. 3. 동력 기술

외골격 분류 일반 모델
[20]

동력형 외골격의 동력 기술은 전기, 유압 및 공압 액추에이터로 세분화된다.[20]

3. 4. 목적

외골격의 목적은 크게 두 가지로 나뉜다.[20] 하나는 재활 치료를 목적으로 하는 "회복" 외골격이고, 다른 하나는 신체 능력 향상을 위한 "성능" 외골격이다.[20] 회복 외골격은 의료 및 간병 분야에서 환자의 재활을 돕는 데 사용된다. 성능 외골격은 물류, 하역 등 중량물을 다루는 작업이나 군사 목적 등에서 신체 능력을 강화하기 위해 사용된다.[101]

3. 5. 적용 분야

동력형 외골격은 군사, 의료, 산업, 민간 등 다양한 분야에서 활용된다.[20]

HAL 5

  • '''의료 및 간병''': 일본에서는 저출산 고령화 및 노노 간병으로 간병 시장의 노동력 부족이 우려되고 있으며, 침대 이동 등에서 간병인을 들어 올리는 것과 같은 체력적 부담을 줄이는 것도 큰 과제가 되고 있다. 이러한 문제 해결에 있어서, 파워 어시스트 기기는 힘이 약한 사람도 요양 환자를 안아 옮길 수 있도록 하여[106] 부담을 줄이는 데 기여할 것으로 기대되며, 민생 분야에서의 개발이 급속히 진행되고 있다. 근전도나 신경 전위 측정에 관한 생화학 등의 분야에서 눈부신 발전으로, 근전 의수 등의 실용 사례도 등장하고 있으며, 사지 마비나 근력 저하로 보행이 어려워 행동이 제한되는 휠체어 이동을 할 수 밖에 없는 사람들이 자율 보행을 할 수 있게 되는 파워 어시스트형 로봇 깁스의 개발[109]·제품화[110]도 진행되고 있다. 1996년 쓰쿠바 대학의 야마카이 요시유키 교수에 의해 개발된 로봇 수트 HAL(Hybrid Assistive Limb)은 피부 표면의 생체 전위 신호를 읽어 동작하는 세계 최초의 파워드 수트이며, 이후 산학 공동 기업 사이버다인이 설립되었다. 2008년 10월부터 HAL의 하반신 타입이 다이와 하우스 공업에서 리스 판매되고 있다. 2011년 동일본 대지진으로 인한 후쿠시마 원자력 발전소 사고 이후, "HAL"을 원전 작업원을 위해 개량한 신형 로봇 수트를 공개하고 있다.[113] 파나소닉의 사내 벤처 기업 액티브 링크(현 ATOUN)는 2018년 7월에 'ATOUN MODEL Y'를 출시하여 1년 4개월 만에 총 550대를 판매했다.[114] 혼다 기술 연구소는 보행 동작을 돕는 "리듬 보행 어시스트"를 국립 장수 의료 연구 센터가 간병 예방 효과를 검증하는 프로그램에 제공하고 있다.[116]
  • '''산업''': 델타 항공이나 현대자동차처럼 노동자의 부담을 줄이기 위해 파워드 수트 도입을 목표로 하는 기업도 있다.[107][108] 혼다 기술 연구소는 공장의 조립 라인에서 일하는 작업자의 부하를 줄이기 위해, 걸터앉아 사용하는 타입의 "체중 지지형 보행 어시스트"도 개발하고 있다.

미국 육군 컨셉 모델의 모형

  • '''군사''': 주로 더 많은 장비를 착용해도 활동에 지장을 받지 않도록 동작을 보조하는 파워 어시스트 기기로 개발되고 있다. 아프가니스탄처럼 도로망이 취약한 산악 지대에서는 차량 통행이 어려운 지역에서 보병의 도보에 의존하고 있지만, 무거운 장비를 착용한 장거리 행군이 가능해진다. 주로 미국, 중화인민공화국, 러시아 연방 등이 연구를 진행하고 있다.[117] 매사추세츠 공과대학교(MIT)에서는 미국군과 공동으로 나노 기술을 응용한 생물 무기도 막고, 부상 시에는 환부를 고정하는 깁스도 되는 파워 익스텐더의 개발을 목표로 하고 있다. 캘리포니아 대학교 버클리(UC 버클리)에서는 미국 국방부 국방고등연구계획국(DARPA)으로부터 자금 지원을 받아 하지 외골격을 개발하는 BLEEX 프로젝트[118]를 진행하고 있다. 2010년에는 록히드 마틴사의 유압 구동식 외골격(Human Universal Load Carrier|인간 범용 운반체영어)가 군의 시험을 받고 있다. 레이시온이 "XOS-2"를 공개했다.[119][120] 미국군은 미국 특수 작전 사령부(US SOCOM)를 위해 TALOS(탈로스)라고 불리는 시스템의 개발로 이행하고 있다.[121] 2019년에는 계획 중지가 공표되었다.[126] 일본 방위성은 헤이세이 26년도(2014년) 예산의 개산 요구에서 "미래 대원 파워 어시스트 기술의 연구(15억엔)"로 개발비 요구를 했지만[127], 재무성의 심사를 통과하지 못해 연구는 보류되었다.[128] 27년도(2015년) 예산의 개산 요구에서도 "고기동 파워 수트의 연구(9억엔)"로 예산 요구를 하고 있다.[129] 2021년에는 대만군이 하반신에 장착하여 지구력 등을 강화하는 파워 수트를 도입하고 있다.[130]

4. 디자인 및 현재의 한계

제2차 세계 대전 이후 원자력 이용이 발전하면서 방사성 물질 취급이나 원자로 내부 작업을 위한 "이동 가능한 매니퓰레이터(모빌 매니퓰레이터)" 개발이 요구되었다. 이는 우주 및 심해 작업용으로 발전했지만, 대부분 원격 조작형으로 동력형 외골격과는 개념이 달랐다. 1961년 제너럴 일렉트릭의 "비틀"은 탑승형이었으나, 무한궤도 주행 방식과 방사선 차폐 장비로 인한 과도한 무게로 실패했다.

제너럴 일렉트릭은 1970년 좌측 부분만 제작된(무게 350kg) 외골격형 매니퓰레이터 Hardiman영어을 개발했다. 이는 파워 어시스트 기기의 시초였으나, 유압 액추에이터 구동 방식은 당시 기술적 한계로 실용화되지 못했다.

현재 개발 중인 외골격은 전신 관절에 동력 보조가 이루어지는 것은 아니며, 허리와 무릎에만 동력 보조를 하고 발목은 생체 그대로인 시스템도 많다. 이는 인간의 발목이나 고관절 등의 복잡한 구조와 기술적 어려움 때문이다.[104] Exoskeleton Report는 파워드 슈트가 사람들의 일, 질병, 노화에 대한 사고방식에 변화를 가져올 것이라고 예상한다.[105]

동력형 외골격은 더 많은 장비를 착용하고도 활동에 지장을 받지 않도록 동작을 보조하는 파워 어시스트 기기로 주로 개발되고 있다. 아프가니스탄과 같이 도로망이 취약한 산악 지대에서 보병의 도보에 의존하는 경우, 무거운 장비를 착용한 장거리 행군을 가능하게 한다. 주로 미국, 중화인민공화국, 러시아 연방 등이 연구를 진행하고 있다.[117] 파워 수트 자체는 민간에서 개발되어 판매도 되고 있다. 군사용으로는 개인 체격에 맞는 수트 생산이 필요하지만, 그 방법은 아직 확립되지 않았다.[104]

매사추세츠 공과대학교(MIT)는 미국군과 공동으로 나노 기술을 응용한 생물 무기 방어 및 부상 시 환부 고정 깁스 기능도 갖춘 파워 익스텐더 개발을 목표로 하고 있다. 캘리포니아 대학교 버클리(UC 버클리)는 미국 국방부 국방고등연구계획국(DARPA)의 지원을 받아 하지 외골격을 개발하는 BLEEX 프로젝트[118]를 진행하고 있다.

2010년 록히드 마틴의 유압 구동식 외골격(Human Universal Load Carrier|HULC영어)은 군 시험을 받았다. 91kg의 짐을 지고 최고 시속 16km로 달릴 수 있지만, 배터리로 유압 액추에이터를 구동하는 방식이라 배터리 지속 시간이 2시간으로 짧아 동력 장치 개량이 이루어지고 있다. 무거운 짐을 들 때 체중이 수 배로 증가하여 관성 작용이 달라지므로 착용자는 훈련이 필요하다. 같은 해 레이시온은 "XOS-2"를 공개했다. 이전보다 소형화되었지만, 전투용이 아닌 물자 운반 작업을 목적으로 한다.[119][120]

미국군은 미국 특수 작전 사령부(US SOCOM)를 위해 TALOS(탈로스) 개발을 진행했다.[121] TALOS는 근력 보조, 컴퓨터 및 데이터 링크를 통한 착용자 지원,[122] 리퀴드 아머(다일라턴시 이용 보호복), 상처를 거품으로 막는 기능 등이 부여될 예정이었다.[123] 공개된 컨셉 영상에서는 자동 소총 사격에도 피해를 입지 않는 모습이 보였다.[124] "아이언맨"으로도 불린 TALOS는 2018년 배치가 계획되었으나,[125] 2019년 계획 중지가 발표되었다.[126]

일본 방위성도 "미래 대원 파워 어시스트 기술 연구" (헤이세이 26년도, 15억 엔) 및 "고기동 파워 수트 연구" (27년도, 9억 엔) 예산 요구를 했지만,[127][128][129] 재무성 심사를 통과하지 못해 연구가 보류되었다. 2021년 대만군은 하반신에 장착하여 지구력 등을 강화하는 파워 수트를 도입했다.[130]

4. 1. 전원 공급

전원 공급 장치는 동력형 외골격의 엔지니어와 디자이너가 직면한 가장 큰 문제 중 하나이다.[22] 특히 외골격이 전력 케이블을 통해 외부 전원에 연결될 수 없는 "현장"에서 착용될 경우, 온보드 전원 공급 장치에만 의존해야 한다. 배터리 팩은 자주 교체하거나 재충전해야 하며,[22] 열 폭주로 인해 폭발할 위험도 있다.[23] Sarcos는 배터리 기술, 특히 전력 소비와 관련된 문제들을 해결하여 Guardian XO 작동에 필요한 전력량을 500W 미만으로 줄였고, 장치를 끄지 않고 배터리를 교체할 수 있게 되었다.[54] 내연 기관은 높은 에너지 출력을 제공하지만, 배기 가스, 폐열, 전력 조절의 어려움,[24] 휘발성 연료를 주기적으로 보충해야 하는 문제가 있다. 수소 연료 전지는 일부 시제품에 사용되었지만[25] 여러 안전 문제점이 존재한다.[26]

4. 2. 골격

강철은 무거워 동력형 외골격이 자체 무게를 극복하기 위해 더 많은 노력을 기울여야 하므로 효율이 떨어진다. 알루미늄 합금은 가볍지만, 피로로 인해 쉽게 파손된다.[27] 유리 섬유, 탄소 섬유 및 탄소 나노튜브는 무게당 강도가 훨씬 높다.[28] 유연한 의류에 모터와 제어 장치를 부착하는 "소프트" 외골격도 개발 중이다.[29]

4. 3. 액추에이터

관절 액추에이터는 가볍지만 강력해야 하는 과제를 안고 있다. 사용되는 기술에는 공압 액추에이터[83], 유압 실린더[30], 전자 서보 모터가 있다.[31] 탄성 액추에이터는 인간 사지의 강성 제어를 시뮬레이션하고 촉각 인식을 제공하기 위해 연구되고 있다.[32] 에어 머슬(브레이드 공압 액추에이터 또는 McKibben 에어 머슬)은 촉각 피드백을 향상시키는 데에도 사용된다.[33]

4. 4. 관절 유연성

인체의 유연성은 기존의 "경성" 로봇 설계에서 문제점으로 지적된다. 엉덩이와 어깨 같은 여러 인체 관절은 몸 안쪽에 회전 중심을 가지는 구관절이다. 두 사람이 정확히 똑같을 수 없으므로, 관절 운동의 모든 자유도를 완전히 모방하는 것은 불가능하다. 대신, 외골격 관절은 각 회전 축에 대해 하나의 자유도를 가진 일련의 경첩으로 모델링되는 것이 일반적이다.[21]

척주의 유연성 또한 어려운 과제인데, 척추는 사실상 제한된 움직임을 가진 구관절들의 집합이기 때문이다. 외부의 단축 경첩들의 간단한 조합으로는 인체 척추의 전체 가동 범위를 쉽게 일치시킬 수 없다. 정확한 정렬이 어렵기 때문에, 장치들은 종종 추가적인 자유도를 통해 정렬 불량을 보상할 수 있는 기능을 포함한다.[34]

연성 외골격은 신체와 함께 구부러지며 이러한 문제점들을 일부 해결한다.[35]

4. 5. 제어 시스템

성공적인 외골격은 사용자를 보조해야 하는데, 예를 들어 작업을 수행하는 데 필요한 에너지를 줄이는 방식으로 가능하다.[21] 움직임의 성격, 범위, 힘에 대한 개인차는 표준화된 장치가 적절한 양의 보조를 적절한 시점에 제공하는 것을 어렵게 만든다. 걷기의 에너지 비용을 자동으로 최적화하기 위해 제어 매개변수를 조정하는 알고리즘이 개발 중이다.[36][37] 또한 인간 신경계와 전동식 보철물 간의 직접적인 피드백("신경 구현 설계")이 몇몇 주요 사례에서 구현되었다.[38]

4. 6. 사용자 적응

사람은 골격 길이, 팔다리 및 몸통 둘레에서 다양한 신체 크기 차이를 보인다. 따라서 외골격은 이러한 신체 크기에 맞게 조절 가능하거나, 개별 사용자에게 맞춤화되어야 한다.[39] 군사적 용도로는 외골격 지급을 위해 사용자가 승인된 신체 크기를 갖도록 요구하여 이 문제를 해결할 수 있다. 이미 군대에서는 매우 크거나 작은 사람에게 좌석과 조종 장치를 맞추는 문제 때문에 항공기 조종사 등의 직무에 신체 크기 제한이 있다.[39] 연성 외골격의 경우 이러한 문제는 덜하다.[35]

4. 7. 안전 문제

동력형 외골격은 육체 노동의 부담을 줄여주지만, 여러 위험을 초래할 수도 있다.[2] 질병통제예방센터(CDC)는 이 기술의 잠재적 위험과 이점을 해결하기 위한 연구를 촉구하며, 낙하하는 물체를 피하기 위한 기동성 부족, 무게 중심 이동으로 인한 잠재적인 낙상 등 근로자에게 발생할 수 있는 새로운 위험 요인을 지적했다.[40]

국제 표준화 기구(ISO)는 2014년에 안전 표준을 발표했으며, ASTM International은 2019년부터 발표될 기준을 마련하기 위해 노력하고 있었다.[2] (미국 산업안전보건청(OSHA)은 2018년 현재, 동력형 외골격에 대한 안전 기준을 마련하지 않았다.)

5. 응용 분야

동력형 외골격은 다양한 분야에서 활용되고 있다.

1890년 러시아의 니콜라스 야긴이 압축 가스를 이용한 운동 보조 장치를 개발했지만 수동식이었다.[7] 1917년 미국의 레슬리 C. 켈리는 증기 동력을 이용해 사람의 힘을 보충하는 페도모터를 개발했다.[8]

1960년대 제너럴 일렉트릭과 미국 군대는 하디만을 공동 개발했다. 이 슈트는 착용자의 힘을 25배 증폭시켰지만, 680kg의 무게와[9] 불안정한 움직임,[10] 느린 속도[11]로 실용화되지 못했다. 같은 시기 미하일로 푸핀 연구소의 미오미르 부코브라토비치 교수팀은 하반신 마비 환자 재활용 능동형 외골격과 휴머노이드 로봇을 개발했다.[12] 이들은 인간 보행 분석 및 제어 이론을 정립해 현대 휴머노이드 로봇 개발에 기여했으며,[13] 1972년 베오그라드 정형외과 병원에서 재활용 외골격을 테스트했다.[13]

1985년 로스 알라모스 국립 연구소는 뇌 스캔 센서를 포함한 외골격 '피트맨'을 제안했지만, 제작되지는 않았다.[14][15] 1986년, 미 육군 레인저 몬티 리드는 로버트 A. 하인라인의 ''스타십 트루퍼스''에서 영감을 받아 외골격을 디자인했다.[16] 2005년에는 프로토타입을 착용하고 경주에 참가해 로봇 슈트 착용 보행 최고 속도 기록을 세웠다고 주장하며,[17][18] 이 프로토타입은 92kg을 들어 올릴 수 있었다.[19]

이후 동력형 외골격은 다음과 같은 분야에서 활용되고 있다.


  • '''의료''': 척수 손상, 뇌졸중 환자 등의 재활 치료
  • '''군사''': 병사의 근력과 지구력 향상을 통한 전투 능력 강화
  • '''산업''': 작업자의 부상 및 피로 감소, 물류 분야 활용
  • '''민간''': 소방관, 구조대원 등의 작업 보조, 노약자의 일상 생활 지원

5. 1. 의료

외골격은 척수 손상, 뇌졸중, 노화 등으로 인한 이동성 장애를 가진 사람들의 재활 치료에 사용된다.[45] "보행 재활 로봇"이라고도 불리는 외골격은 이러한 재활 과정에 도움을 줄 수 있다.[45]

일본어에서는 '''강화복''', '''강화 수트''', '''로봇 수트''', '''강화 외골격''' 등으로 불린다.[102][103] 의료·간병 분야에서는 '''파워 어시스트 수트''' 또는 '''어시스트 수트'''[101]라고 불리기도 하며, '''머슬 수트'''(도쿄 이과대학 발 벤처 기업 주식회사 이노피스의 등록 상표)[100]나 '''서포트 재킷''' (유피알 주식회사의 등록 상표)이라는 호칭도 사용된다.

현재 여러 시제품 외골격이 개발 중이다.[46][47] Ekso Bionics가 제작한 Ekso GT는 뇌졸중 환자를 위해 미국 식품의약국(FDA)의 승인을 받은 최초의 외골격이다.[48]

1996년 쓰쿠바 대학의 야마카이 요시유키 교수가 개발한 로봇 수트 HAL (Hybrid Assistive Limb)은 피부 표면의 생체 전위 신호를 읽어 동작하는 세계 최초의 파워드 수트이며, 이후 산학 공동 기업 사이버다인이 설립되었다. 2008년 10월부터 HAL의 하반신 타입이 다이와 하우스 공업에서 리스 판매되고 있다.

혼다 기술 연구소는 보행 동작을 돕는 "리듬 보행 어시스트"를 국립 장수 의료 연구 센터의 간병 예방 효과 검증 프로그램에 제공하고 있다.[116]

5. 2. 군사

DARPA에서 개발 중인 외골격


군사용 외골격은 병사들의 근력과 지구력을 향상시켜 전투 능력을 강화하는 데 목적이 있다. 주로 더 많은 장비를 착용해도 활동에 지장을 받지 않도록 동작을 보조하는 파워 어시스트 기기로 개발되고 있다.[117] 아프가니스탄처럼 도로망이 취약한 산악 지대에서는 차량 통행이 어려운 지역에서 보병의 도보에 의존하고 있지만, 무거운 장비를 착용한 장거리 행군이 가능해진다.

미국, 중화인민공화국, 러시아 연방 등이 주로 연구를 진행하고 있다.[117] 파워 수트 자체는 민간에서 개발이 진행되어 판매도 되고 있으나, 군사 용도로는 한 사람 한 사람의 체격에 맞는 수트를 생산해야 하므로, 그 방법 등이 아직 확립되지 않았다.[104]

매사추세츠 공과대학교(MIT)에서는 미국군과 공동으로 나노 기술을 응용한 생물 무기 방호 및 부상 시 환부 고정용 깁스 기능을 갖춘 파워 익스텐더 개발을 목표로 하고 있다. 캘리포니아 대학교 버클리(UC 버클리)에서는 미국 국방부 국방고등연구계획국(DARPA)으로부터 자금 지원을 받아 하지 외골격을 개발하는 BLEEX 프로젝트[118]를 진행하고 있다.

2010년 록히드 마틴사의 유압 구동식 외골격(Human Universal Load Carrier영어)이 군의 시험을 받고 있다. 최대 시속 16km로 91kg의 짐을 지고 이동할 수 있으며, 배터리로 유압 액추에이터를 구동한다. 다만 배터리 지속 시간이 2시간에 불과하여 동력 장치 개량이 진행 중이다. 이 외골격 착용 후 무거운 짐을 들면 체중이 수 배로 증가하여 관성 작용 방식이 일반 보행과 달라 착용자는 훈련이 필요하다.

같은 해 레이시온은 "XOS-2"를 공개했다. 이전보다 소형화되었지만, 전투용이 아닌 물자 운반 작업을 목적으로 한다.[119][120]

미국군은 여러 기초 연구 결과를 바탕으로 미국 특수 작전 사령부(US SOCOM)를 위한 TALOS(탈로스) 시스템 개발로 이행하고 있다.[121] TALOS는 근력 보조, 컴퓨터 및 데이터 링크를 통한 착용자 지원,[122] 리퀴드 아머(다일라턴시 이용 보호복), 상처를 거품으로 막는 기능 등이 부여될 예정이다.[123] 공개된 컨셉 영상에서는 자동 소총 사격에도 피해를 입지 않는 모습이 묘사되었다.[124] "아이언맨"으로도 불린 TALOS는 2018년 배치가 계획되었으나,[125] 2019년 계획 중지가 발표되었다.[126]

일본 방위성에서도 관련 계획이 있었고, 헤이세이 26년도 예산 개산 요구에서 "미래 대원 파워 어시스트 기술 연구(15억 엔)" 개발비 요구가 있었으나,[127] 재무성 심사를 통과하지 못해 연구가 보류되었다.[128] 27년도 예산 개산 요구에서도 "고기동 파워 수트 연구(9억 엔)" 예산 요구가 있었다.[129]

2021년 대만군은 하반신 장착형 지구력 강화 파워 수트를 도입하고 있다.[130]
한국에서는 국방과학연구소(ADD) 주도로 군사용 외골격 개발이 진행 중이며, LIG넥스원, 현대로템 등 방위산업체들이 참여하고 있다.

5. 3. 산업



산업 현장에서 외골격은 작업자의 부상(특히 어깨와 척추) 및 피로로 인한 오류를 줄이는 데 사용되며, 물류 분야에서도 활용이 검토되고 있다.[63][64][65] 이러한 시스템은 어깨 굴곡-신전 운동을 보조하는 상지용 외골격과 수동 리프팅 작업을 보조하는 요추 지지용 외골격으로 나눌 수 있다.[66]

산업용 외골격은 가볍고, 편안하며, 안전하고, 환경에 대한 영향을 최소화해야 한다.[67] 일부 작업에서는 전신형 전동식 슈트보다 특정 작업에 관련된 사지만을 지원하는 단일 관절 외골격이 더 적합하다.[67]

일본어에서는 '''강화복''', '''강화 수트''', '''로봇 수트''', '''강화 외골격''' 등으로 불린다.[102][103] 의료, 간병, 물류 등 중량물을 다루는 작업에는 '''파워 어시스트 수트''' 또는 '''어시스트 수트'''[101], '''머슬 수트''', '''서포트 재킷'''이라는 명칭도 사용된다.

일본에서는 저출산 고령화 및 노노 간병으로 간병 시장의 노동력 부족이 우려되는 가운데, 파워 어시스트 기기가 요양 환자를 안아 옮기는 등의 작업을 도와 부담을 줄일 수 있을 것으로 기대되어 민생 분야에서의 개발이 활발히 진행되고 있다.

델타 항공이나 현대자동차와 같이 노동자의 부담을 줄이기 위해 파워드 수트 도입을 추진하는 기업도 있다.[107][108]

1996년 쓰쿠바 대학의 야마카이 요시유키 교수가 개발한 로봇 수트 HAL은 피부 표면의 생체 전위 신호를 읽어 동작하는 세계 최초의 파워드 수트이며, 이후 산학 협력 기업 사이버다인이 설립되었다. 2008년 10월부터 HAL의 하반신 타입이 다이와 하우스 공업에서 리스 판매되고 있다.

파나소닉의 사내 벤처 기업 액티브 링크(현 ATOUN)는 2018년 7월에 'ATOUN MODEL Y'를 출시하여 1년 4개월 만에 총 550대를 판매했다.[114]

혼다 기술 연구소는 보행 동작을 돕는 "리듬 보행 어시스트"를 국립 장수 의료 연구 센터에 제공하고 있으며,[116] 공장 조립 라인 작업자의 부하를 줄이기 위한 "체중 지지형 보행 어시스트"도 개발하고 있다.

5. 4. 민간

동력형 외골격은 소방관 및 기타 구조대원이 무거운 장비를 운반하면서 계단을 오르는 데 도움을 주기 위해 개발되고 있다.[62] 일본어에서는 직역하여 '''강화복''', 반만 번역하여 '''강화 수트'''라고 불리며, '''로봇 수트'''라고 불리는 것도 존재한다.[102][103] 그 외에도 '''강화 외골격'''이나 단순하게 외골격 등으로도 불린다.

의료·간병 분야나 물류·하역 등 중량물을 다루는 작업에 사용되는 것은 '''파워 어시스트 수트''' 또는 '''어시스트 수트'''[101]라고 불리기도 한다. 또한 최근에는 '''머슬 수트'''(도쿄 이과대학 발 벤처 기업 주식회사 이노피스의 등록 상표)[100]나 '''서포트 재킷''' (유피알 주식회사의 등록 상표)이라는 호칭도 있다.

Exoskeleton Report는, 디지털 혁명으로 사람들의 커뮤니케이션이 크게 변한 것처럼 파워드 슈트는 사람들의 일이나 질병, 노화 등에 대한 사고방식에 변화를 가져올 것이라고 예상하고 있다.[105]

일본에서는 21세기에 진행되는 저출산 고령화 및 노노 간병으로 간병 시장의 노동력 부족이 우려되고 있으며, 침대 이동 등에서 간병인을 들어 올리는 것과 같은 체력적 부담을 줄이는 것도 큰 과제가 되고 있다. 이러한 문제 해결에 있어서, 파워 어시스트 기기는 힘이 약한 사람도 요양 환자를 안아 옮길 수 있도록 하여[106] 부담을 줄이는 데 기여할 것으로 기대되며, 민생 분야에서의 개발이 급속히 진행되고 있다.

또한, 델타 항공이나 현대자동차처럼 노동자의 부담을 줄이기 위해 파워드 수트 도입을 목표로 하는 기업도 있다.[107][108]

최근에는 근전도나 신경 전위 측정에 관한 생화학 등의 분야에서 눈부신 발전이 이루어져 근전 의수 등의 실용 사례도 등장하고 있으며, 사지 마비나 근력 저하로 보행이 어려워 행동이 제한되는 휠체어 이동을 할 수 밖에 없는 사람들이 자율 보행을 할 수 있게 되는 파워 어시스트형 로봇 깁스의 개발[109]·제품화[110]도 진행되고 있으며, 동시다발적으로 미국에서도 제품화를 위한 노력이 이루어지고 있다.[111]

1996년 쓰쿠바 대학의 야마카이 요시유키 교수에 의해 개발된 로봇 수트 HAL (Hybrid Assistive Limb)은 피부 표면의 생체 전위 신호를 읽어 동작하는 세계 최초의 파워드 수트이며, 이후 산학 공동 기업 사이버다인이 설립되었다. 이 장치의 전신형은 예를 들어 100kg의 레그 프레스를 할 수 있는 사람이 착용하면 180kg을 움직일 수 있으며, 몇 kg을 들어 올리는 감각으로 40kg의 중량물을 들어 올릴 수 있다[112]。2008년 10월부터 HAL의 하반신 타입이 다이와 하우스 공업에서 리스 판매되고 있다.

또한 2011년 3월 11일부터 이어진 도쿄 전력 후쿠시마 제1 원자력 발전소 사고 이후, "HAL"을 원전 작업원을 위해 개량한 신형 로봇 수트를 공개하고 있다.[113]

파나소닉의 사내 벤처 기업 액티브 링크(현 ATOUN)는 2018년 7월에 'ATOUN MODEL Y'를 출시하여 1년 4개월 만에 총 550대를 판매했다.[114] 2022년 4월, 코로나19의 영향으로 대면 판매에 따른 이익이 감소하여 회사를 해산했다.[115]

혼다 기술 연구소는 보행 동작을 돕는 "리듬 보행 어시스트"를 국립 장수 의료 연구 센터가 간병 예방 효과를 검증하는 프로그램에 제공하고 있다.[116] 또한 공장의 조립 라인에서 일하는 작업자의 부하를 줄이기 위해, 걸터앉아 사용하는 타입의 "체중 지지형 보행 어시스트"도 개발하고 있다. 이들은 ASIMO의 개발로 축적된 협조 제어 기술을 응용하고 있다.

6. 제품

다음은 현재 상용화되어 판매 중이거나 개발 중인 다양한 외골격 제품들이다.

제품명제조사설명비고
Japet ExoskeletonJapet작업 및 산업용 동력형 허리 외골격 (허리 압력 감소)[72]
인데고 외골격(Indego Exoskeleton)파커 해니핀(Parker Hannifin)척수 손상 환자와 뇌졸중 환자의 보행을 돕는 다리용 전동 지지 시스템 (FDA 승인)[73][74]
리워크(ReWalk)리워크(ReWalk)척수 손상(SCI)으로 인한 하체 장애가 있는 사람들이 스스로 기립, 보행, 계단 오르내리기를 수행 가능 (동력형 엉덩이 및 무릎 운동 기능)[75]
EskoGT엑소 바이오닉스(Ekso Bionics)하반신 마비 환자가 목발이나 보행기를 사용하여 일어서고 걸을 수 있도록 돕는 유압 구동 외골격 시스템 (FDA 승인, 2019)[76][48]
피닉스(Phoenix)수트엑스(SuitX)모듈식, 경량, 저가형 외골격, 배터리 백팩으로 구동되어 하반신 마비 환자가 1.1mph까지 걸을 수 있음[77]
보행 보조 장치혼다(Honda)지지 없이 걷는 데 어려움이 있는 사람들을 돕기 위한 부분 외골격 (FDA 시판 전 통지, 2019)[80]
EXARM, X-Arm-2, SAM유럽 우주국로봇 원격 조작을 위한 인체공학적 외골격, 가혹한 환경에서 작동하는 우주 비행사형 로봇의 원격 조작이 목표[81]
HANK, Belk고고아 모빌리티(Gogoa Mobility)HANK: 의료용 동력 하체 외골격 (CE 승인, 2018, 유럽 최초), 척수 손상(SCI), 후천성 뇌 손상(ABD), 신경 퇴행성 질환 재활용. Belk: 무릎 특화 외골격 (CE 승인, 2020)
롬 로보틱스(Roam Robotics)스키어와 스노우보더를 위한 부드러운 외골격[83]
아탈란테(Atalante)완더크래프트(Wandercraft)목발 없이 손을 사용하지 않고 걸을 수 있도록 하는 최초의 동력 외골격[84]
가디언 XO(Guardian XO)사르코스(Sarcos)전신 동력 외골격 (최대 약 90.72kg 인양), 델타 항공(Delta Air Lines)과 함께 시연(2020, 소비자 가전 쇼)[85][86][87]
엑소히버(ExoHeaver)엑소메드(ExoMed)러시아 니켈 및 팔라듐 광업 및 제련 회사를 위해 설계된 전기 구동 외골격(2018), 최대 60kg 무게 인양 및 유지, 센서 이용 환경 정보 수집, 20개 이상 테스트 및 기업 사용[88]
코마우 MATE코마우(Comau)수동 스프링 장착 외골격, 중력 방지 지원 제공, 상완과 척추 지지하여 작업 촉진 및 신체적 피로 감소, 연장 단계에서 에너지 저장 후 굴곡 단계에서 사용자에게 반환[89]


6. 1. 통용 중인 외골격 (한국 기업 중심)


  • 엔젤로보틱스의 엔젤슈트(Angel suit), 엔젤렉스(Angel legs), 워크온(WalkOn) 다리.
  • 사이버다인의 HAL (Hybrid Assistive Limb).[78] 일본 기업이지만, 한국에서도 사용 중이다.[47][79] HAL은 현재 일본과 미국의 병원에서 사용되고 있으며, 2013년에 글로벌 안전 인증을 받았다.

6. 2. 기타 외골격

7. 주요 행사

사이배슬론(Cybathlon)은 신체 장애가 있는 사람들이 최첨단 기술 지원 시스템을 사용하여 일상적인 작업을 완료하기 위해 서로 경쟁하는 국제 대회이다.[94]

8. 윤리적 문제와 사회적 영향 (한국 사회 중심)

동력형 외골격, 즉 파워 수트 기술은 여러 윤리적 문제와 사회적 영향을 야기하며, 이는 한국 사회에서도 중요한 논의 주제이다.
접근성:외골격 기술은 높은 가격으로 인해 경제적 불평등을 심화시킬 수 있다. 더불어민주당을 비롯한 진보 진영에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 공공 부문의 지원을 확대하여 사회적 약자의 접근성을 보장해야 한다고 주장한다. 이는 경제적 격차를 줄이고 모든 사람이 기술의 혜택을 누릴 수 있도록 하는 데 중요한 역할을 할 수 있다.
일자리 대체:외골격 기술은 육체 노동을 대체하여 일자리 감소를 초래할 수 있다는 우려가 있다. 특히 저숙련 노동자들의 일자리가 위협받을 수 있으며, 이는 사회적 불평등을 심화시킬 수 있다. 따라서 외골격 기술 도입에 따른 일자리 변화에 대한 사회적 논의와 함께, 직업 교육 및 재취업 지원과 같은 대비책 마련이 필요하다.
인간 증강:외골격 기술은 인간의 신체 능력을 증강시키는 방향으로 발전할 수 있다. 이는 신체 능력의 불평등을 야기하고, 나아가 인간 소외 문제를 심화시킬 수 있다는 우려를 낳는다. 예를 들어, 외골격을 착용한 사람과 그렇지 않은 사람 간의 격차가 커지면서 사회적 위화감이 조성될 수 있다.
군사적 이용:군사용 외골격 개발은 국제 안보 불안을 야기할 수 있으며, 비윤리적인 살상 무기 개발로 이어질 수 있다는 우려가 있다. 특히, 미국, 중화인민공화국, 러시아 연방 등이 군사용 외골격 연구를 진행하고 있어[117] 국제적인 긴장감을 높이고 있다. 일본 방위성에서도 관련 연구 예산을 요구한 적이 있으나 재무성 심사를 통과하지 못해 보류되었다.[128] 대만군은 2021년에 하반신 강화 파워 수트를 도입했다.[130] 이러한 상황에서 한국은 군사적 긴장 완화와 평화적 해결을 위한 국제적 노력에 적극적으로 참여해야 한다.
데이터 프라이버시:외골격 착용자의 생체 데이터 수집 및 활용 과정에서 개인 정보 침해 문제가 발생할 수 있다. 수집된 데이터는 개인의 건강 상태, 위치 정보 등 민감한 정보를 포함할 수 있으므로, 데이터 보안 및 활용에 대한 엄격한 규제가 필요하다.

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