강화외골격

1 개요

Powered Exo-Skeleton. 강화복의 일종. 착용자에게 기계적으로 힘을 더해주는 일종의 로봇 시스템이다. 일반적으로 '외골격'이란 절지류 등이 형태를 유지하기 위해 몸 겉에 단단한 부분을 갖춘 것을 이른다. 나아가 특수한 환경에서 착용자를 보호하고 더욱 강력한 힘을 발휘할 수 있도록 제작된, 몸에 걸치는 형태의 장비 또한 절지류의 외골격과 비슷한 성격을 가진 점을 반영하여 '외골격'이라는 이름이 붙었다.
이 개념은 1890년 외골격의 첫 특허가 나오면서 시작되었다. 여태껏 새삼 새롭다는 듯이 주목받는 게 이상하지만, 당시는 메카니즘은 만들어져있어도 전원을 저장해 둘 수단이나 매체가 지금처럼 발전하지 않았던 시대였기 때문에 전기콘센트에 전선 꽂고 움직일 수는 없잖아 에반게리온 의문의 1패 초호기라면 어떨까!이제 다시 조명받는 중이다.

창작물과는 달리 현재로서는 유일하게 개발된 강화복 종류이기도 하다. 외골격이 붙은 강화복이 개발 및 제작도 쉽고 인공근육의 역할을 해줄만 한 인공섬유도 개발되지 않았기 때문.

로봇보행병기와 비교하면 실용성이 훨씬 높다. 인간의 신체와 탑승형 로봇을 연동할 경우, 억지로 콕핏을 쑤셔넣는 것보단 신체동작과 연계해 작동하는 것이 몇백배는 편하기 때문이다.

기계화보병과는 관련이 없다. 주의하자.

2 현실의 강화 외골격

현실에서도 차근차근 연구가 진행되고 있다. 아래는 그 결과물 중 일부이다. 물론 아래에 나열된 항목들 외에도 수많은 나라 및 연구소, 대학 등에서 연구가 진행되고 있다. 의외로 상당한 완성도를 지녀서 제한적 환경-항모 내 작업 환경 등에서라면 실제 투입 가능할 정도다. 흔히 생각하는 군용 이외에도 화재현장에서의 보호 및 잔해 철거용, 장애인/노인의 운동 보조용, 산업체 노동자의 작업 보조용 등 다양한 용도의 외골격이 상대적으로 가까운 시간 내에 실용화를 목적으로 개발이 진행중이다.

현대의 기술력은 SF를 따라잡고 있거나, 이미 초월하기도 하지만 SF에 나오는 먼치킨 강화외골격을 따라잡기엔 출력기관과 동력이 문제. 하지만 대부분의 군용 외골격은 어디까지나 매우 무거운 군장의 무게 부담 완화등의 전투 보조적인 개념으로 개발되고 있다.

각 나라의 대학이나, 대기업에서 만드는 데 뛰어 들다보니 무척이나 많다.

의외로 엄청나게 단순한 발상만으로도 가능하다. 단적인 예로 홈쇼핑에서 파는 파워렉(...) 비슷한 수준의 무릎탄성받침을 발까지 연결한 지지대와 결합하는 것만으로 섰다 앉았다 하면서 일하는 조립노동자를 위한 무동력(!) 강화 외골격이 만들어진다. 이러한 종류의 편의장구류는 이미 산업현장에서 사용되고 있다.

이 문서에는 그 중 일부만을 소개하고 있으니 이 점을 유의할 것. 참고 링크에서 보다 많은 현실의 강화복을 볼 수 있다.

2.1 러시아

Ivan The Terminator란 제목으로 동영상이 공개가 되었는데,9A-91 단축형 돌격소총을 한손으로 쏘고도 이상이 없는 듯하다.

2.2 미국

2.2.1 퓨쳐 포스 워리어(미군)

미군이 퓨쳐 솔저라는 이름으로 내놓은 디자인.

미국에서 연구하고 있는 미래 미군 장비 체계 중에, 군용 강화 외골격이 포함될 예정이다.

현재 미군은 전자 장비와 전투원을 통합시켜 병사 개개인의 전투력을 극대화시키는 랜드 워리어 프로그램이 진행중인데, 그 랜드 워리어는 장차 완성시킬 고급 전투 기술 프로그램인 퓨쳐 포스 워리어로 이어진다. 이 퓨쳐 포스 워리어는 퓨쳐 컴뱃 시스템의 일부이기도 하고.
바로 그 퓨쳐 포스 워리어가, UC 버클리가 개발중인 BLEEX 강화 외골격, MIT가 개발중인 나노테크놀러지 기술 등을 채용할 예정이다. 2010년부터 개발 계획을 시동해서 2032년에는 결과물을 보여주겠다는 모양.

원래라면 10년 단위로 단계적으로 개발해나갈테지만, 근래 미군 병력이 너무 많은 하중을 짊어지고 있어서 척추 손상과 전투유지력 손상 등의 피해를 입는다는 의학적 보고가 빗발치고 있다. 때문에 군에서는 최우선적으로 개인 하중 부담을 줄이는 방안을 연구 중이며, 일차적으로 방탄복 무게 감소 등을 적용하려 하지만 멀지 않은 시일 내에 강화 외골격에 대한 연구가 슬슬 모습을 드러낼 것이다. 고로 군용으로 실용화된 강화 외골격은 방탄복이라기보단 로드 베어링 장구로 먼저 등장하게 될 가망이 높다.

2.2.2 Raytheon Sarcos Exoskeleton

가공의 강화복 개념에 가장 근접한 현실의 강화복. 줄여서 XOS 외골격이라고 한다.

팔다리가 제대로 달려있는 전신 외골격으로 200파운드(약 90Kg) 프레스를 가볍게 들 수 있다.
가장 큰 문제는 동력원인듯. 아직까지는 외부에서 공급해야되고 내부 동력만으로 가동할시 한계 시간은 30분 정도.

콜의 아들이 쉴드의 신병기를 시험 가동 중이다
2010년 9월 두번째 버전이 등장했다. 외관이 상당히 정돈된 모습에 놀라운 퍼포먼스를 시연했는데, 놀랍게도 곳곳의 토크센서가 초당 2만번정도 뇌 신호를 읽어내어 착용자의 움직임을 완벽히 구현해낸다.

최초 버전이 나왔을 때 미 육군은 지대한 관심을 가지고 임대해 전투 상황에서의 유용성을 평가해보려고도 했다.

현재 레이시온-사르코 사는 항공모함이나 군 기지 같은 곳에서 미사일이나 탄약 같이 무거운 물건을 운용하는데 쓸 계획이라고 밝혔다. 군 기지에서 미사일이나 폭탄을 장착하는 작업은 모두 수작업으로, 미사일 한 발도 정비요원들 여럿이 달라붙어서 낑낑대면서 장착한다. 그런데 이런 장비를 써서 혼자 및 소수의 인원으로 이런 작업을 하면 효율도 크게 올라갈 뿐더러, 더욱 안전하다.

2.2.3 HULC(Human Universal Load Carrier)

록히드 마틴의 홍보 영상.

2011년 TED에서의 시연장면. 1분 58초부터 볼 수 있다. 척추장애환자를 위한 외골격 eLEGS도 같이 나온다.

버클리 대학 로봇공학 연구소에서 록히드 마틴과 함께 개발 중인 강화외골격. 하반신만 존재하며, 미군의 전투 활동을 보조하기 위해 만들어졌다.
200파운드(약 90Kg)의 무게를 지탱할 수 있으며, 별다른 외부 전력 없이 8시간까지 운용이 가능하다. 최대 72시간까지 운용 시간을 늘리는 게 목표라고.
현재 미군에서 테스트 중이며, 결과가 만족스러우면 실전에 투입될 계획도 있다고 한다.

2.3 일본

스팩

• 사이즈 : 인체 장착형 높이 1,600mm
• 중량 : 전신 일체형 약 23kg, 하반신형약 15kg
• 동력(전기) : 충전용 100V 배터리 구동
• 가동 가능 시간 : 약 2시간 40분(배터리 교환으로 연속 사용가능)
• 동작 : 첫 시작·앉아, 보행, 계단 승강, 파워 스쿼트, 중량물 보관 유지·운반 등.
• 조작 : 장착자가 조작, 오퍼레이터가 조작.
• 사용 환경 : 옥내외 일상생활 환경

Hybrid Assistive Limb, 줄여서 HAL(!)은 생체 전위 신호를 읽어는 파워드 슈츠이며, 츠쿠바대학의 산카이 요시유키 등에 의해서 개발되고 있다. 참고로 여기 관련 사업을 위해 설립한 회사 이름은 사이버다인 주식회사. 제품이나 회사나 비범한 이름이다.
2타입이 존재하며, HAL 3은 각부만이 가동하지만, HAL 5는 완, 다리, 동체의 모두가 가동한다. HAL 5는 현재, 장착자가 본래 가질 수 있는 중량의 5배의 중량을 가질 수 있는 성능이 있다.

작동원리는 장착자의 피부에 장착된 센서를 통해 미약한 생체 전위 신호를 감지해, 내장 컴퓨터에 의해서 그 신호가 해석되어 서보 기구에 의해서 장착자의 움직임을 보조하듯이 슈트가 동작한다. 슈트 전체는 허리에 장착된 전지에 의해서 전력 공급된다.

신체장애자나 고령자의 운동 보조를 위해서 개발되고 있어 더 나아가서 노동용의 HAL도 개발할 예정이라고 한다.

2006년도에는 '굿 디자인상'도 수상했다고 한다.

2.4 대한민국

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한국생산기술연구원이 개발한 외골격 로봇 '하이퍼'의 초기모델(오른쪽). 연구원 한 사람이 모델이 되어 사진을 찍었다. 입고 있는 옷은 생기원에서 개발에 참여한 한국군 차세대 복장인 '디지털 군복'과 '방탄조끼'. 2009년에 처음 개발 되었다.
초기 모델은 무려 120kg까지 짊어질 수 있었고, 최대 300kg을 거뜬하게 움직일 수 있다. 하지만 유압 공급 장치가 크고 무거워 실험실 안에서만 움직이는 걸로 만족해야만 했다.

후기형은 '하이퍼 2'(왼쪽)로 구동장치를 EHA라고 불리는 작은 유압식 엑추에이터로 바꾸고, 배터리와 연결해 3시간 동안 움직일 수 있는 2010년 개발했다. 경량화 버젼으로 80kg정도의 무게를 짊어질 수 있다. 상당히 슬림한 디자인.

생기원 민군실용로봇사업단은 군사용, 민간용으로 두루 쓸 수 있는 로봇을 목표로 개발하고 있으며, 따라서 하이퍼도 미국의 로봇처럼 ‘군용’ 성격이 강하다. 일본의 로봇처럼 전기모터를 쓰지 않고, 유압식 액추에이터를 썼다. 지금까지 한국에서 로봇을 개발할 때는 주로 전기모터를 썼다. 국내에서 유압식으로 강화 외골격을 만든 것은 생기원이 최초이다.

박상덕 생기원 단장은 "유압식 로봇은 정밀한 제어가 어렵고 힘이 세서 동작 알고리즘을 만드는 데 몇 배의 노력이 필요하다"며 "그러나 큰 힘을 낼 수 있어서 군사용이나 산업용으로 쓰기에 적합하다"고 말했다.

2012년 이후 하반신외에 상반신도 완성되기 시작했는지 영상으로 가끔씩 나온다.
참고로 한손으로 거대한 역기를 들고 문제없이 들어올리고 내릴 정도, 다만 우리나라에서 이런 쪽의 홍보가 거의 없어서, 인터넷으로는 강화 외골격 '하이퍼'에 대한 자료를 찾기란 힘들고, 과학잡지 등에서 오히려 자세하게 나오니 가능한 그것을 참고할 것.

최근에는 하이퍼2와 성능은 동일하되 경량화된 하이퍼3을 공개했다.
개발측은 군이 요구한다면 충분히 작동시간을 늘릴수 있다고 말한다

내용 출처

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- 사진은 한양대에서 제조한 헥사(HEXAR) 성인 남성 근력의 10배 이상을 증폭시켜주는 효과가 있다고 한다. 상용화를 준비하고 있다고 한다.

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사진 출처 - 동아사이언스 홈페이지(#)

북한군 나노슈트
아아, 저 '먼 미래'라는 말에 주의하자

현재 국방과학연구소를 비롯한 국내 연구 조직에서도 군용을 목적으로 개발중인 동력 외골격 수준을 연구중이다.#
계획대로 완성된다면, 소형 인공근육을 사용해 장거리 행군에도 문제가 없게되며, 무거운짐도 옮길 수 있고, 개인 NBC방호능력도 생겨 핵전쟁이나 화학전시에도 빠른 대처가 가능하다. 계획상으로만 되면 2020년에 배치가 시작되어 2026년에 완료. 우리나라가 언제나 그렇듯이 이런 쪽의 홍보가 전혀 없어서 현재 소식이 없으므로 자세한 것은 추가바람. 일단 한국군의 교리가 화력 중심. 즉 항공 엄호를 철저하게 받으면서 포병으로 방어 및 공격, 기갑으로 공격을 하여 북한의 인민웨이브 공격을 궤멸시킨 다음 보병은 그 뒤에 투입되는 사실상 보조적, 소모적인 역할을 하기 때문에 특수전부대나 강화복이 반드시 필요한 일부 병과에 한해서만 배치가 될 것으로 보인다.

대우조선해양 중앙연구소에서 2013년 4월 1일에 작업용 강화 외골격을 발표하기도 했다.# 한양대, 한국생산기술연구원, 카이스트와 함께 2010년부터 개발하기 시작했고, 현재 유압, 전기모터로 30kg 이상의 물체를 들 수 있다. 이후 작업중량을 40kg으로 높이고 조선소에 투입할 수 있도록 개발한다고 한다.

현대자동차도 개발중이라고한다, 현대자동차그룹 블로그에 공개된 산업용 강화 외골격#

상당히 공들인것으로 보인다

결국 군용이다

2016년 방위사업전에 등장하였다. 작동시간은 약 4시간이라고. 초소형 스마트 무기도 같이 개발하는 것으로 보인다.

2.5 현실의 강화 외골격에 대한 여담

사실, 강화 외골격의 연구는 1890년대 쯤에도 진행되고 있었다.
강화 외골격은 인간의 근력을 강하게 해준다는 점은 많은 연구원들을 끌어들이는 매력이었으며, 외골격의 첫 특허는 지난 1890년에 나왔다. 하지만 현실세계 및 가상세계에서 그것이 구체화된 것은 비교적 최근 일이다.

• 1890년 - 외골격의 첫 특허 등재. 외골격의 역사의 시작점이다.
• 1966년 - (전신 외골격) 제너럴 일렉트릭이 '하디 맨'이라는 외골격을 설계했지만, 완성된 외골격으로 작동 시범을 보인 적은 없다. 마치 1986년에 나온 에일리언에서 나오는 외골격과 비슷하다.
• 1987년 - (하반신 외골격) 척추를 다친 전 육군 레인져 대원 '몬티 리드'가 라이프슈트라는 외골격을 입고 재활 물리 치료를받았다. 그는 2003년 외골격을 입고 5km 달리기에도 참가했다.
• 1990년 - (전신 외골격) 일본의 카나와 기술 연구소가 노인과 환자들을 돕는 간호용으로 파원 어시스트 슈트를 개발하기 시작했다.
• 1998년 - (거미형 전신 외골격) 오스트레일리아의 행위예술가인 스텔락이 독일 함부르크에서 사람이 조종하는 워킹머신을 발표했다. 거미처럼 생겼는 데 이를 이용해 현대사회를 발표했다.
• 2002년 - (전신 외골격) 일본 기업 사이버다인사가 HAL-3를 발표했다. 후속 모델인 전신형 HAL-5는 간호사를 들어 올리는데 사용하고 있다. 만화에서 나올법한 디자인이 매력요소이다.
• 2004년 - (하반신 외골격) 버클리의 하체 외골격 '블릭스'는 착용자의 움직임에 맞추어 움직이는 두개의 다리와 짐을 싣는 백팩 형태의 프레임으로 구성 되어있다.

그 밖에도 최근 대한민국에서 개발 중인 하이퍼(하반신 외골격)는 100kg의 무게도 거뜬히 이동 할 수 있고, 가장 수준 높은 외골격은 미국의 XOS 2이다.

알려진 것은 일본이 가장 많지만, 기술은 미국 쪽이 앞서있다. 우리나라도 자체 개발한 강화 외골격을 실전 배치하기 위해 준비중이다.

전투 외골격은 약 2020년 이후에 표준 보급품이 될 전망이다.

• 5톤의 무게를 들어올리는 팔은 2018년 안에, 상황인식 디스플레이는 2013년, 만능 인공손 2015년 동력 절약 인공관절 2013년, 가벼운 방탄소재와 자체치료기능 2018년 안에 개발 완료될 예정이다.
• 기능전환, 스스로 얻는 전력기능, 부상자를 업는 플랫폼 등은 이미 개발 완료상태이다.
• 전투 외골격의 개발 단계는 현재 미국이 1위이다.
• 전투 외골격과 외골격의 차이는 전투용으로 만들어졌는냐의 차이이다.

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3 강화 외골격에 대한 오해

사람이 탑승하여 어마어마한 힘을 가진 기계팔로 땅을 파내는 '포크레인'이나, 크레인 등이 강화 외골격의 일종이냐 아니냐 하는 논의가 있었으나, 엄밀하게 말하자면 아니다. 이 문단은 그것을 설명하기 위한 문단이므로 잘 읽어 볼 것.

우선 문단을 읽기 전 알아둘 것이 있다. 외골격은 강화복 그 자체를 정의하는게 아닌 수많은 강화복의 한종류에 지나지 않는다. 유압식 기계 장치를 사용하는 외골격 타입도 있고, 전기적 신호를 주고받는 인공 근육을 사용한 의복 타입도 있다. 외골격의 유무가 강화복의 유일한 판단 요소가 될 수는 없다.
다만, 현재까지 개발되고 공식적인 단어가 존재하는 것은 강화외골격(Powered Exo-Skeleton) 뿐인데, 이유는 단순히 그런 종류의 강화복만이 개발 되었기 때문이다. 그 외의 강화복은 단어는 물론이고 기술개념조차 확립되지 않았다. 인간의 근력이나 능력의 확장 자체를 중시하는 강화복은 아쉽게도 아직은 창작물 내에서의 이야기이다.색기 철철 넘치는 보디슈트 강화복을 못 본다는 소리다.
아쉽지만 지금 당장은 학계에서 강화복을 말한다면 강화복=강화외골격인 셈.

• 강화 외골격이라는게 아직 완전히 세상에 나온 물건이 아니다.

- 강화 외골격은 이미 세상에 나와있다. SOX나 HAL-3가강화 외골격이 아니면 무엇이란 말인가? 그리고 HAL-3은 이미 잘만 팔리고 있으며, 간호사들이 환자를 들어올리는 데 잘만 쓰이고 있다.

• 매트릭스의 APU나 아바타의 AMP 슈트는 강화 외골격이 아니다.

- AMP슈트의 경우 가동 부위와 동작인식부위가 우리가 일반적으로 생각하는 것처럼 일치하지 않기에 오해의 소지가 있지만, 제임스 카메론의 설정에 의하면 인식부위와 가동부위가 떨어져있지만, 피드백이 되어있다고 한다. 즉, 슈트의 팔(가동부위)이 장애물에 부딪히면, 착용자의 팔(인식부위)도 함께 움직인다. 참고로 이 가동 방식은 영화 '에일리언'의 주인공 시고니 위버가 입은 외골격에서 이미 보여준 적이 있다. 또한, AMP 슈트의 다리 부위는 풋 페달이라는 것으로 조작하는데, 착용자의 다리를 크게 움직일 수 없기에 다리를 약간만 움직여도 다리가 크게 움직이도록 설정되어 있다고. 설정상 APU와 AMP슈트 둘 다 작동 방법이 거의 일치 하므로 APU의 설명은 생략, 이 둘의 차이점이 있다면, APU는 가동부위와 인식부위가 1:1로 피드백 되어 있지만, AMP는 2:1로 설정 되어 있다는 것이다.

• 포크레인 등의 기계팔을 가진 중장비 역시 강화 외골격이다.

- 우선 이것들은 컨트롤러로 작동하는 물건이므로 강화 외골격이고 뭣도 아니다. 이것들이 강화 외골격이면 자쿠나 건담 등의 거대 로봇들도 강화 외골격이 되어버린다. 당연히 전투공병전차도 훌륭한 강화 외골격이 되어버린다.