칠흑같이 어두운 밤, 대서양 남쪽의 포클랜드 섬의 외딴 바닷가에 일단의 사람들이 모였다. 이들은 포클랜드 전쟁의 승리를 위해 아르헨티나군 진지에 결정적 타격을 가할 영국군 특공대다.
곧바로 특공대원들은 맨 손으로 가파른 절벽을 오르는 이른바 ‘욤핑(Yomping)’ 행군을 시작했다. 적의 초병에게 들키지 않기 위해 로프발사기는 사용하지 않는다. 각자 50kg 이상의 군장과 무기 및 장비를 짊어진 채, 절벽을 기어올라 잠든 적의 진지를 소리 없이 불시에 기습하는 것이 바로 이 작전의 특징이기 때문이다. 이 욤핑의 성공으로 영국군은 포클랜드 지상전을 승리로 이끌게 된다.
하지만 50kg의 장비를 짊어진 채, 단지 체력만으로 미끄러운 절벽을 기어오르는 이런 작전은 병사들에겐 너무 큰 부담이 될 수밖에 없다. 이에 미 국방부는 전장에서 병사들의 전투력과 사기를 최대로 끌어낼 수 있는 미래형 보병 전투체계에 대한 연구에 집중한 결과, 향후 2020년에 실전 배치될 미래형 미군 보병 전투복 ‘로보캅’을 탄생시킨다.
그러나 무엇보다도 주목을 끄는 것은 병사들의 근력을 대폭 향상시켜주는 외골격 로봇 기능. 병사를 헤라클레스로 만들어주는 이 로봇은 장애인들의 팔과 다리가 되어주는 ‘재활 로봇(Rehabilitation Robot)’에도 이용되고 있다.


근전도 신호로 액추에이터 구동


미국 캘리포니아 주의 한 실버타운. 오전 8시가 되자 장애 노인 한 명이 침대 위에서 잠을 깬다. 그는 하체를 전혀 못 쓰는 중증 장애인. 손도 약간만 움직일 수 있을 뿐이다. 건장한 보조요원이 방에 들어와 약간 기묘하게 생긴 휠체어에 노인을 태우고, 세면장에 데려가 그의 얼굴을 씻긴다. 양치질이 끝나면 아침 식사와 신문을 휠체어 선반에 놓고 방에서 나간다.
보조 요원이 나가자 장애 노인은 손목만 살짝 움직여 암레스트(Arm rest) 위의 조이스틱을 조작, 휠체어 우축 전면에 장착된 로봇 팔을 움직인다. 식사가 시작되면 로봇 팔은 숟가락을 들어서 그의 입에 음식을 떠다 준다. 식사가 끝난 후, 노인은 로봇 팔로 신문을 한 장씩 넘겨보며 찻잔을 들어 따라마셨다. 이어 전면에 장착된 컴퓨터 모니터를 보며 게임을 하던 노인은 오전 레크리에이션을 위해 조이스틱으로 휠체어를 조종, 밖으로 나갔다.
이 휠체어가 바로 ‘이그젝트 다이내믹스(Exact dynamics)’사에서 개발한 재활 로봇 ‘MANUS’다. 24V DC를 동력원으로 하는 이 재활 로봇은 7자유도로 움직이는 길이 80cm, 무게 13kg의 로봇 팔로 최대 2kg의 하중을 들어 다양한 작업을 수행한다.
이 로봇은 관절 부위에 적외선 센서와 액추에이터(Actuator, 전기나 유압 등을 이용하는 구동장치) 등을 장착, 조이스틱의 신호에 따라 움직인다. 입력된 프로그램에 의해 정해진 동작을 반복, 수행하는 이 로봇은 신문, 숟가락 정도의 가벼운 하중을 들어 올리는 수준에 머무른다.
이보다 진전된 로봇이 바로 ‘근전도 신호(Electromyographic Signal)’를 이용하는 외골격 로봇(robot exoskeleton) 또는 웨어러블 로봇(Wearable Robot)이다. 이 로봇들은 상실된 수족 기능을 대신하는 보철 장치에 가해주는 제어신호를 인위적 조작이 아닌 뇌에서 발생하는 생체 신호를 이용한다. 인간의 근육에서 나오는 근전도 신호를 이용, 자유 의지대로 보철장치를 움직여 더 무거운 물체를 들어 올린다.


의지대로 움직이는 웨어러블 로봇


한 사나이가 분노로 흥분하기 시작한다. 두 눈은 금방 빨갛게 충혈 되고, 불끈 쥔 두 주먹위로 뻗은 팔 근육 안의 혈관은 빠르게 확장돼 엄청난 양의 뜨거운 혈액을 근육으로 흘려보낸다. 얼굴이 분노에 치를 떠는 괴물로 변하는 순간, 부풀어 오른 몸뚱이를 감당 못하는 셔츠는 갈갈이 찢겨져 벗겨 진다. 이 사람이 바로 80년대 국내에 인기리에 방영됐던 미드 ‘두 얼굴을 가진 사나이’의 ‘헐크(HULC)’다.
그런데 TV 시리즈가 끝나면서 사라진 줄 알았던 헐크가 21세기 첨단 과학을 등에 업고 슈퍼 전사(Super warrior)로 거듭났다. 지난 2009년 미 군수업체 록히드 마틴사가 선보인 외골격 로봇 ‘헐크(HULC)’가 바로 그다.
이런 기능은 군사용뿐 아니라 재활 로봇의 이용 가능성을 높여준다. 전문가들은 “근전도 신호의 장점은 척추가 완전히 손상돼 움직일 수 없어도 근육에서 일어나는 전기 신호만 있으면 이용할 수 있는 것”이라고 설명한다.
뇌의 운동피질은 신경 임펄스 트레인(Impulse train)을 발생시켜 척수를 통해 각 신경에 연속적으로 전달된다. 이 신호는 근육으로 퍼져나가는데 착용자의 동작 의도는 외골격 로봇의 고출력 액추에이터 구동신호로 이용된다. 이 신호는 증폭돼 팔, 다리 및 인체의 각 부위의 근력을 지원하기 때문에 사용자는 훨씬 더 자유롭고 더 무거운 중량을 들 수 있게 된다.
그럼에도 불구하고 이 웨어러블 로봇의 발전에는 아직 넘어야 할 산이 많은 것이 사실이다. 전문가들은 “근전도 신호를 비롯한 생체 신호는 매우 복잡한 체계로 이뤄져 있어서 이를 로봇의 알고리즘에 적용하는 것은 매우 어려운 과정이다”고 설명한다.
뿐만 아니라 근전도 신호는 0.01~10mV로 매우 미약하기 때문에 EMG 증폭기로 증폭을 하는데 주위의 잡음(Noise)이 섞일 가능성이 높다. 따라서 복잡한 알고리즘을 풀어내고, 불필요한 노이즈를 걸러내는 필터링(Filtering) 기술이 매우 중요한 과제로 떠오른다.
이 기술이 완성되면 앉은뱅이 장애인이 일어서서 걸어 다닐 날도 머지 않은 것이다.