‘안될과학’ 출연한 ‘사이언스 로보틱스’ 표지 장식 연구원 …‘변신 바퀴의 비밀’

로봇전문 학술지 사이언스 로보틱스의 8월 호 표지를 한국인이 장식했다. 장애물을 넘을 때 형태 변형이 가능한 새로운 휠 구조를 개발한 한국기계연구원 송성혁 박사가 지난 5일 과학 전문 유튜브 채널 ‘안될과학’에 출연해 연구의 비하인드 스토리를 전했다.

아치 형태에서 떠오른 아이디어

송성혁 박사는 휠의 기본 설계는 아치 구조에서 영감을 받았다고 밝혔다. “아치 구조는 그 자체로 강성을 지니면서도 중앙이 비어 있는 형태로, 높은 압력을 견딜 수 있다. 이를 휠에 적용한 방식은 상하에 위치한 아치를 결합해 원형을 형성하고, 이를 통해 장애물에 의해 변형될 때에도 전체 구조가 붕괴되지 않도록 했다.”라고 말했다. 아치의 최상단에는 ‘키스톤(Keystone)’이라는 핵심 요소가 위치하는데, 이는 압력을 분산시켜 구조의 안정성을 유지하는 역할을 한다. 연구진은 이 원리를 휠의 중앙에서 장애물로부터 가해지는 힘을 분산하는 메커니즘으로 활용했다. 이로 인해 휠은 장애물을 만났을 때 일시적으로 변형되어 장애물의 형태에 맞게 변하지만, 그 후 다시 원래의 원형을 유지할 수 있다.

물방울의 동그란 형태를 휠에 적용

아치 형태의 연구로 1년의 시간을 쏟았지만 결국 실현되지는 않았다. 그 이후 생각한 것이 원형을 유지하면서 쉽게 모양이 변하는 것이었다. “표면장력이 높을수록 동그란 형태를 쉽게 유지할 수 있다”는 점을 휠에 적용하여 연구를 진행했다고 한다.

“물방울이 표면 장력을 통해 일정한 형태를 유지하는 것처럼, 휠 내부에서도 블록 사이의 거리를 조절하는 와이어 시스템을 적용해 외부 압력에 따라 휠이 변형되고 다시 원래 형태로 복귀할 수 있도록 설계되었다.”라고 말했다. 이는 휠이 장애물에 접촉할 때 블록 간 거리가 멀어져서 변형되지만, 장애물이 지나가면 다시 내부 장력을 통해 블록들이 결합하여 원형을 유지하는 원리이다.

계단에서 부드럽게 변신하는 휠

이번 연구의 가장 큰 혁신은 상황에 맞춰 휠의 강성을 조절할 수 있다는 점이라고 송성혁 박사는 말했다. 강성을 높여 원형을 유지함으로써 주행 성능을 극대화하고, 장애물을 만나면 강성을 낮춰 변형을 통해 장애물을 부드럽게 넘을 수 있다고 한다. 이러한 실시간 강성 조절 기능은 휠 내부의 구조적 설계를 통해 구현되었다고 한다.

그는 이번 연구의 실용적인 응용 가능성에 기대를 걸고 있다. 특히 자율주행 로봇, 휠체어, 탐사 로봇 등 다양한 분야에서 이 휠을 적용하면 지형을 극복하는 데 매우 유용할 것으로 예상된다. 앞으로는 센서를 결합해 장애물 감지와 함께 휠 강성 변화를 자동화하는 방안까지 고려하고 있다고 한다.