❏배터리팩(battery pack)

 배터리팩은 로봇의 파워와 지속시간을 결정하는 핵심요소이다. 특히 무기체계 로봇가 독립적으로 작동하기 위해서는 보다 가볍고 강력하며 지속적인 배터리 필요하다. 보스톤다이나믹스(Boston Dynamics)는 배터리로 작동되는 휴머노이드 개발(Atlas)해서 미래의 로봇이 할 수 있는 동작의 가능성을 보여주고 있는데, 이런 유형뿐만 아니라 트랙을 장착한 소형 견마형 로봇이나 차량형 로봇이나 공중드론도 배터리 성능은 로봇의 기능, 지속시간, 작동 범위에 직접적인 영향을 미친다.

[그림-6] 배터리를 짊어지고 있는 휴머노이드

 배터리는 납축전지, 니켈-카드늄, 니켈-수소, 리튬이온 순으로 발전했고, 이 셋 중에 에너지밀도가 가장 높은 리튬이온 배터리가 2020년대인 현재 스마트폰과 전기차에 널리 쓰이고 있다. 근시일 내에는 전기자동차를 위해 안정성 및 에너지 밀도가 증대된 전고체 배터리가 상용화될 것이며 미래에는 보다 성능이 뛰어날 것으로 예상되는 리튬황, 리튬 에어가 개발 중에 있으며, 2030년대에 실용화될 가능성이 있다. 이렇게 개선되는 배터리는 로봇에 바로 적용될 수 있다.

[그림-7] 배터리 발전 과정

 그런데 배터리는 무게가 무겁기 때문에 장시간 독립적으로 작동해야 하는 로봇에 용량이 큰 배터리를 장착하게 되면 무게에 의한 부담이 크게 증가한다. 또한 배터리는 휘발유나 경유에 비해 에너지밀도가 아직 열악하고, 물리적 한계로 인해 미래에 개선전망이 밝지 않다. 그런데 이를 극복할 수 있는 전력 제공수단인 수소전기(Fuel Cell)가 있다. 배터리의 한계는 단위무게 당 에너지 밀도가 낮다는 것인데, 리튬이온 배터리는 액화수소의 10% 미만인 반면 액화수소는 리튬이온보다 부피당 10배 이상, 무게로는 최대의 에너지밀도라는 특성을 가지고 있다. 수소전지 자동차는 이미 상용화되었으며 두산 모빌리티는 수소전지를 무기체계 로봇에 적용한 사례가 있다.

 배터리팩이 무기체계 로봇에 적용되기 위해서는 전장에 투입되어야 하는 로봇 무기체계의 독립(autonomous)적이고 충분한 작동시간(duration)이 보장할 수 있어야 한다. 보다 많은 센서를 포함한 전자/컴퓨터의 집합체로서 임무수행을 위해 충분하고 안정된 로봇 작동에는 충분한 파워공급이 필수적이다.

 또 다른 요건으로 로봇은 극한의 전장환경에서의 임무수행을 위해서는 배터리의 극도의 안정성이 요구된다. 현재의 리튬이온 배터리는 충격에 매우 취약해서 충격이나 손상이 원인이 되어 스마트폰이 폭발하거나 전기차가 화재에 휩싸이는 등의 사고들이 있다. 무기체계에 쓰일 배터리는 그러한 문제가 해결되어야 하는데, 전고체 배터리가 어느 정도 그러한 문제를 해결할 수 있을 것이다. 아마도 안정성 측면에서는 전고체 배터리가 가장 앞설 것으로 보이고, 수소전기도 비교적 안전할 것이다.

 2040년이나 2050년에도 배터리 기술은 크게 발전하지 않을 것으로 전망된다. 고체나 액체 기반의 배터리 전해질 물질에 전자를 밀집시키는 기술의 한계가 근원적인 문제인데, 획기적인 소재가 발견되거나 방사성물질(토륨)을 배터리에 적용할 수준이 아닌 한 배터리의 용량증가은 먼 미래를 가드라도 군용 배터리에게 요구되는 높은 에너지 밀도(지속시간 및 파워 보장, 무게)와 안전성(safety)은 충분히 해결되지 않을 것이다. 따라서 에너지원으로 수소전기와 내연기관이 혼용될 것으로 보인다. 무인전차, 무인트럭 등 대형 로봇의 경우에는 기존의 내연기관이 활용될 것이며, 수소전기는 특히 경량화를 이루어야 하는 체공 드론에 많이 적용될 것이다. 아래 그림에서 보듯이 수소가 단위무게 당 가장 높은 에너지밀도를 보이기 때문이다.

 ​다음 표는 배터리 중 검증된 성능의 리튬이온, 전고체, 수소전기를 비교하여 평가한 내용이다. 외부전원은 참고사항이며, 산업용 로봇 중 고정형에서만 활용 가능gke. 배터리의 작동시간, 안전성, 무게, 가격 측면에서 살펴보고 로봇 무기체계 적용가능성을 설명한다.

<표-4> 배터리 유형별 장점 및 단점

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❏구동(Actuation)과 이동(locomotion)

 일반적으로 로봇의 가장 큰 특징은 로봇의 다양한 동작일 것이다. 인간의 노동을 대체하여 스스로 움직이고 작동하며 인간에 이로운 활동을 할 것이라고 우리는 기대한다. 이를 위한 부분이 구동(Actuation)과 이동(locomotion)이다. 구동은 로봇의 동작을 의미하며 대개 관절을 모터, 액추에이터 등으로 구현한 것이다. 이동은 바퀴나 다리를 이용하여 위치를 바꾸는 작동이다.^​23)​ 4족 보행 및 2족 보행으로 이동할 수 있으나, 기술적 미완성으로 속도나 안정성이 미흡하다. 현재 실용적인 로봇은 대부분 바퀴나 트랙(캐터필러)으로 이동한다.

 구동이나 이동을 위한 파워는 배터리 기반 전기장치와 내연기관(터빈, 왕복기관)이 같이 활용된다. 미래에는 현재의 모터와 기체/유압 액츄에이터 기반의 구동장치뿐만 아니라 탄성나노튜브(elastic nonotube)와 같은 인간근육 비슷한 형태의 인공근육 등이 등장할 것으로 전망된다. 특히 인공근육은 미세하게 제작될 수 있어 로봇의 얼굴표현, 인간의 동작을 구현할 것으로 보이며, 그 파워는 생체근육의 능력을 초과할 수도 있을 것이다.^​24)​

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 2020년대에는 다양한 형태의 구동 및 이동기술이 발전할 것이다. 2020년대에는 전기모터와 압전모터 중심으로 주로 로봇의 구동이 이루어질 것이며, 이동기술에 있어서는 유압액추에이터 기반의 Boston Dynamics에서 개발된 2족 보행 또는 4족 보행 기술이 점차 비중을 확대할 것으로 예상된다.^{​25) 26)}​

 2030년대에는 소형화가 힘든 유압액추에이터와 달리 작게 만들 수 있는 인공근육이 현실화될 것이며, 따라서 인간의 손과 같은 세밀한 동작을 할 수 있는, 충분히 소형화된 동작기구가 등장할 것이다. 하지만 인공근육이 적용된 로봇 손은 비용 등의 문제로 본격적 실용화는 이루어지지 않을 것이다.

 2040~2050년대에는 나노튜브 섬유, 공기압 등을 이용한 다양한 인공근육이 등장할 것이며, 인공근육은 생체근육보다 더욱 강력한 힘을 낼 것으로 주장하는 학자도 있다.^​27)​ 그러나 회의적인 의견도 있으며, 경제성을 확보할 경우 부분적으로 인공근육이 적용될 것이다. 2050년대에는 전기로 구동되는 나노필라멘트가 실현되면서 인간근육과 유사한 형태의 더욱 가볍고 강력한 근육이 등장할 것이다.^​28)​ 나노섬유를 활용한 인공근육(artificial muscle)나 유전탄성체(dielectric elastomer)를 활용한 다양한 구동장치가 개발될 것이다.^​29)​

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[그림12] 유전탄성체(좌)와 나노섬유​