Research Highlight (이대영 교수)

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- 달 동굴 탐사를 위한 전개형 소프트 에어리스 휠 -

 

 

이번 Research Highlight에서는 로보틱스 분야 최상위 저널인 Science Robotics (IF: 27.5) 2025년 12월호에 출판된 이대영 교수 연구실의 “달 동굴 탐사를 위한 전개형 소프트 에어리스 휠” 연구를 소개한다.

 

해당 연구는 세계 최초의 우주 환경에서 사용 가능한 전개형 바퀴 설계 기법을 통해 지금까지 불가능했던 달 동굴 탐사의 실마리를 제공한 것으로 주목받았으며, 무인탐사연구소·한국천문연구원·한국항공우주연구원·한양대학교 등 국내 주요 우주 기관, 연구자와의 공동 연구로 수행되었다. 

 

미래 인류의 달 거주지로 주목받는 용암 동굴은 우주 방사선과 극심한 온도 변화로부터 안전한 천연 요새이며, 동굴 천장의 일부가 무너져 형성된 피트(Pit)를 통해 내부로 진입할 수 있을 것으로 전망된다. 하지만 피트 주변의 추가 붕괴 위험과 수십 미터 깊이의 수직 절벽 때문에 입구로 접근하는 것조차 불가능에 가까운 영역이다. 기존에 제시된 탐사 방법으로 고중량 크레인 장비나 테더(통신 케이블)를 이용한 하강 진입 방식은 높은 비용과 복잡한 시스템 요구로 임무 실현의 한계가 있었다. 본 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 무거운 크레인이나 복잡한 장비 없이도 동굴 내부로 직접 뛰어들어 탐사할 수 있는 ‘전개형 소프트 에어리스 휠’을 개발하였고, 이를 활용한 탐사 시나리오를 제안하였다 (그림 1).

연구진이 제안한 탐사 흐름은 간단하다. 메인 로버가 수납 상태의 마이크로 로버들을 피트 주변의 안전지대까지 운반한 뒤, 마이크로 로버가 분리되면서 바퀴가 자동으로 전개된 상태로 착륙한다. 전개된 큰 지름의 소프트 휠은 레골리스(Regolith)에서 접지 면적을 넓혀 적은 침하 상태를 유지한 채 피트 입구로 접근한다. 이후에는 바퀴의 탄성과 충격 흡수 능력을 활용해 복잡한 로프 장비 없이도 낙하 방식으로 동굴 내부에 진입하고, 동굴 안의 잔해와 단차, 울퉁불퉁한 암반 지형에서도 큰 바퀴 직경을 바탕으로 내부 탐사를 이어가는 개념이다.
 

 

 

< [그림 1] 달 피트/용암동굴 진입 및 탐사 시나리오 모식도 >

 

 

이번 연구의 핵심은 주행 과정에서 취약할 수 있는 회전 관절 부품을 최소화하는 가변 구조 설계에 있다. 가변형 구조물에서 주로 사용되는 힌지·베어링과 같은 관절 부품은 달의 극한 환경에 노출 시 냉간 용접(cold welding) 위험과 레골리스 오염, 마찰·마모, 공차 관리 문제로 신뢰성 저하를 유발할 수 있다. 이러한 취약점을 줄이기 위해, 변형 가능한 부분을 구조 전체로 확장하여 마는 방식을 통해 구조가 연속적으로 변형하는 수납 메커니즘을 적용하였다 (그림 2). 또한 여러 개의 블록이 서로 엮여 수직 하중을 분산하도록 설계함으로써, 수납 과정에서는 유연하게 움직이면서도 수직 하중에는 강한 특성을 가진다.

 

 

 

< [그림 2] 에어리스 휠의 수납·전개 메커니즘 및 상호 지지 구조 원리 설명 >

 

 

연구팀은 개발된 바퀴가 실제 달 동굴 탐사 임무에 적용 가능한지 검증하기 위해 지구상의 검증 과정을 거쳤다. 극한의 열-진공 환경에서도 바퀴의 성능 저하가 없었으며, 달 중력 하에 100m 높이에서 자유 낙하할 때 발생하는 충격과 동일한 견딜 수 있음을 확인하였다. 또한 모사 월면토와 실제 동굴의 불규칙한 암반 지형은 물론, 화염이 치솟는 극한의 열기 속에서도 안정적으로 주행 가능한 모습을 통해 그 내구성을 입증하였다 (그림 3).

 

 

 

< [그림 3] 다양한 환경에서의 필드 주행 시험 >

 

 

이번 연구 성과는 그동안 탐사가 불가능했던 달의 급경사 지역과 용암동굴 내부 탐사를 현실화할 수 있는 실질적이고 안정적인 솔루션을 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다. 특히 극한의 열 환경과 거친 지형을 극복할 수 있는 고신뢰성 기술을 확보함으로써, 향후 우리나라의 독자적인 달 탐사 임무 성공률을 높이는 데 핵심적인 역할을 할 것으로 전망된다. 또한, 다른 우주 선진국에서도 시도되지 않은 독창적인 원천 기술을 바탕으로, 본격화되는 글로벌 우주 탐사 경쟁에서 대한민국이 기술적 우위와 리더십을 확보하는 데 크게 기여할 것으로 기대된다.

 

관련 논문: S.-B. Lee†, N. Cho†, G. Lee, S. Lee, J. Kim, G. Shim, J. T. Jang, S. K. Kim, TW Seo, C. K. Sim, and D.-Y. Lee, "Soft Deployable Airless Wheel for Lunar Lava Tube In-tact Exploration," Science Robotics, vol. 10, no. 109, Dec. 2025.

관련 영상 자료: [Youtube] Soft Deployable Airless Wheel for Lunar Lava Tube Exploration https://www.youtube.com/watch?v=qyELzP-Lqyg

 

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원문    이대영 교수[ae_dylee@kaist.ac.kr]

편집               이은혁[lehx01@kaist.ac.kr]