모핑 휠, 장애물 넘는 혁신 바퀴
모핑 휠, 장애물 극복의 새 지평을 열다
바퀴가 마치 살아 움직이는 듯한 모습이 펼쳐졌다. 도로 위의 턱 앞에 멈춰선 휠체어의 바퀴가 턱에 닿는 순간, 원형의 두 바퀴가 점토처럼 천천히 일그러지기 시작했다. 바퀴는 턱을 감싸 안듯 안으로 움푹 찌그러져 들어가며 장애물을 넘어섰다. 이 과정은 힘으로 밀어붙인 것이 아니라, 바퀴가 스스로 장애물의 형태에 맞춰 변형하며 길을 만들어낸 결과였다. 턱을 넘은 바퀴는 아무 일 없었다는 듯 다시 완벽한 원형으로 돌아왔다.
세계 최초의 변형 바퀴, 모핑 휠
이 혁신적인 바퀴는 '모핑 휠(Morphing Wheel)'이라 불리며, 계단이나 턱, 울퉁불퉁한 노면 때문에 이동을 포기해야 했던 장애인들에게 새로운 이동 가능성을 제시한다. 이 세계 최초의 변형 바퀴는 박동일 한국기계연구원 첨단로봇연구센터장이 이끄는 연구진에 의해 개발되었다. 박 센터장은 "우리가 만든 것은 단순한 바퀴가 아니라 사람들의 이동권"이라고 강조했다.
로봇 공학에서 이동성 기술로의 전환
박동일 센터장은 원래 로봇 팔을 이용한 정밀 조작 기술, 즉 머니퓰레이션(manipulation) 분야를 연구해왔다. 그러나 장애인의 이동성 문제를 해결하는 과제를 맡으면서 연구 방향을 확장했다. 휠체어 사용자들이 협소한 공간이나 계단, 턱 같은 장애물 때문에 겪는 불편함은 매우 컸다. 비장애인에게는 작은 턱도 장애인에게는 큰 장벽이었기 때문이다.
두 바퀴 구조의 선택과 기술적 도전
기존의 네 바퀴 전동휠체어는 안정적이지만 크고 회전반경이 넓어 좁은 공간에서의 기동성이 떨어진다. 반면 두 바퀴는 제자리 회전이 가능해 협소한 공간에서도 자유로운 움직임이 가능하다. 그러나 두 바퀴로는 계단이나 턱을 넘기 어려웠기에 바퀴 자체가 변형되는 구조를 고안했다.
개발 과정과 난관 극복
평소에는 단단한 바퀴가 장애물을 만나면 유연하게 형태를 바꾸는 기술 구현은 쉽지 않았다. 2~3년간 수많은 실패와 기초연구, 개념 검증을 반복한 끝에 2022년부터 본격적인 변형 바퀴 기술 개발이 시작되었고, 2023년 후반부터 연구 성과가 나타나기 시작했다. 여러 차례 설계 개선과 실험을 거쳐 2024년에 기술 개발을 마무리했다.
모핑 휠의 작동 원리
모핑 휠의 핵심은 '강성과 유연성을 자유롭게 오가는 구조'에 있다. 외관은 일반 고무 바퀴처럼 보이지만 내부에는 여러 개의 작은 링크(관절 구조)가 촘촘히 연결되어 있다. 이 링크들은 특수 와이어인 핀(pin)으로 연결되어 있는데, 와이어를 팽팽하게 당기면 링크들이 맞물려 단단한 바퀴처럼 움직인다. 반대로 장력을 풀면 링크 사이에 여유가 생겨 바퀴가 외부 형태에 맞춰 자연스럽게 변형된다.
내구성과 안전성 확보
내구성은 연구 초기부터 가장 중점적으로 검증한 부분이다. 와이어는 반복적인 당김과 풀림으로 피로도가 높아 재질과 구조를 개선하며 수많은 반복 시험을 진행했다. 실험실에서는 장시간 연속 주행과 반복 변형 시험을 통해 충분한 내구성을 확인했다. 또한, 안전성 확보를 위해 다양한 환경에서의 신뢰성 향상이 과제로 남아 있다.
두 바퀴 휠체어의 균형과 제어 기술
두 바퀴 휠체어는 균형 잡기가 쉽지 않기에 제어 기술이 중요하다. 휠체어에 장착된 여러 센서가 기울기, 노면 상태, 하중 변화를 실시간으로 감지하고 제어 시스템이 최적의 자세를 계산한다. 인공지능이나 딥러닝은 적용하지 않았지만, 다양한 센서 데이터와 수학적 연산을 통해 안정적인 주행을 구현했다. 또한, 전원 차단 시 보조바퀴가 자동으로 내려와 휠체어를 지탱하는 안전장치도 갖추고 있다.
다양한 산업 분야로의 확장 가능성
모핑 휠은 휠체어뿐 아니라 산업 현장용 이동로봇, 조선소, 건설 현장, 플랜트, 물류창고, 재난 현장 등 다양한 분야에서 활용 가능성이 크다. 특히 장애물이 많은 환경에서 기존 바퀴보다 훨씬 유리한 이동성을 제공해 설비 점검, 물류 운반, 재난 대응 등에서 큰 역할을 할 것으로 기대된다.
국산 기술로 구축한 이동 플랫폼
이번 연구는 단순한 바퀴 개발을 넘어 모터, 구동기, 제어시스템, 배터리까지 포함한 하나의 이동 플랫폼을 구축한 성과다. 기존 상용 부품으로는 원하는 성능 구현이 어려워 연구진이 대부분 직접 기술을 개발했다. 이는 우리 기술로 기반을 마련했다는 점에서 큰 의미가 있다.
미래 목표와 사회적 가치
박동일 센터장은 모핑 휠이 이동이 불편한 사람들에게 '갈 수 없는 곳'을 '갈 수 있는 곳'으로 바꾸는 기술이 되길 바란다며, 안전성과 완성도를 높여 누구나 안심하고 사용할 수 있는 이동수단으로 상용화하는 것이 가장 큰 목표라고 밝혔다.
