연구실 탐방 (ARML)

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  항공우주 로보틱스 및 메커니즘 연구실

  Aerospace Robotics and Mechanisms Laboratory (ARML)

  지도교수 이대영

 

 

< 연구실 단체 사진 >

 

 

항공우주 로보틱스 및 메커니즘 연구실(Aerospace Robotics and Mechanisms Laboratory, ARML, 지도교수: 이대영)은 2021년 10월 설립되었으며, 항공우주 시스템을 위한 새로운 로봇과 기계 메커니즘을 설계하는 연구실입니다. 연구실의 슬로건은 “From Imagination to Reality: Create Robots that Transform”으로, 종이접기 원리에 기반한 전개형·가변형 메커니즘, 소프트 로보틱스, 능동 소재를 결합하여 과거에는 불가능하다고 여겨졌던 항공우주 개념을 실제로 작동하는 하드웨어로 구현하는 것을 목표로 합니다.

 

우주 시스템에서 형상은 곧 성능입니다. 안테나는 클수록 지향성이 높아지고, 태양전지판은 넓을수록 전력이 커지며, 로버의 바퀴는 클수록 험지를 잘 넘습니다. 그러나 발사체 안의 공간은 언제나 부족합니다. 작게 접어 보내고 현장에서 크게 펼치는 것, 그리고 임무 상황에 따라 형상을 바꾸는 것이 이 모순을 푸는 가장 직접적인 방법이며, ARML의 모든 연구는 이 하나의 아이디어에서 출발합니다. 현재 연구실은 Planetary Robotics, Orbital Robotics, Deployable Space System, Aerial Robotics, Marine Robotics의 다섯 분야에서 연구를 수행하고 있으며, 무인탐사연구소(UEL), 한국천문연구원, 한국항공우주연구원, 한국지질자원연구원, KAIST 인공위성연구소, KIST 등 다양한 기관과 협력하여 실제 임무를 향한 연구를 진행하고 있습니다. 아래에서 연구실의 주요 연구를 분야별로 소개합니다.

 

 

 

  1. Planetary Robotics

 

< 전개형 바퀴 장착 로버 시험 (UEL 공동연구) >

 

 

< 태백 현지자원활용 실증현장 (한국지질자원연구원 공동연구) >

 

 

행성 표면 탐사 로버는 발사체와 착륙선의 제한된 공간에 맞게 작게 만들어져야 하지만, 험한 지형을 넘기 위해서는 큰 바퀴가 필요합니다. ARML은 종이접기와 소프트 로보틱스 기술을 결합하여 두 배 이상 크기가 변하면서 극한 환경과 강한 충격을 견딜 수 있는 전개형 바퀴를 개발하였습니다. 이 바퀴는 유인 거주지 후보로 주목받는 달 용암동굴(lava tube) 탐사를 목표로 설계되어, 수직 함몰지(pit)를 통과하는 낙하 충격을 흡수하고 좁은 통로와 넓은 공간을 모두 주행할 수 있습니다. 연구 결과는 2025년 12월 Science Robotics에 게재되었으며, 무인탐사연구소(UEL), 한국천문연구원, 한국항공우주연구원, 한양대학교와 공동으로 수행되었습니다. 2024년에는 제주도의 화산 지형에서 실제 로버에 장착하여 현장 주행 시험을 완료하였습니다. 이 연구는 한국연구재단 기초연구사업과 우주항공청 신규프로젝트 탐색연구사업의 지원으로 진행되고 있습니다.

 

이 외에도 한국지질자원연구원, 무인탐사연구소, 한국원자력연구원과 함께 달 토양을 굴착하고 이송하는 현지자원활용(ISRU) 장비를 개발하여 2025년 3월 강원도 태백에서 실증을 수행하였고, KAIST STAR Lab(김현정 교수)과 함께 달 환경에서의 정전 발전 기반 에너지 수확, 로버 주행을 위한 Terramechanics, 벽면 등반 로버, 그리고 미국 CU Boulder(Prof. Daniel Scheeres)와 협력하는 소행성 표면 이동 등 다양한 탐색 연구를 진행하고 있습니다.

 

 

 

  2. Orbital Robotics

 

< 나선 직조 소프트 그리퍼 (KIST 송가혜 박사팀 공동연구) >

 

 

< ADRSAT 개념도 (KAIST 인공위성연구소) >

 

 

우주 쓰레기 제거, 위성 서비스, 궤도상 조립(ISAM)과 같은 임무에서는 비협조적으로 움직이는 물체를 안전하게 잡는 기술이 핵심입니다. ARML은 정해진 형상의 물체를 정밀하게 잡는 기존 방식 대신, 얽힌 폐루프(closed loop) 구조가 스스로 감기며 다양한 형상의 물체를 포획하는 전개형 소프트 그리퍼를 개발하고 있습니다. 구동과 제어 시스템을 극단적으로 단순화할 수 있어 신뢰성이 중요한 우주 환경에 적합합니다. 기반 기술은 KIST와 공동으로 2023년 Nature Communications에 발표되었으며, 100 kg급 물체를 들 수 있는 지상용 대형 그리퍼는 산업체(뉴로메카)에 기술 이전되었습니다.

 

현재는 KAIST 인공위성연구소와 함께 우주항공청 우주물체 능동제어 선행기술개발 과제(2024~2027)의 일환으로, 2027년으로 예정된 우주 쓰레기 제거 위성 ADRSAT에 그리퍼를 탑재하여 나노위성(큐브위성)을 대상으로 정밀 랑데부와 포획을 실증하는 임무를 준비하고 있습니다. 아울러 KAIST SPL(윤효상 교수)과 함께 궤도상 조립을 위한 자기조립 전개형 매니퓰레이터 개념 연구도 진행하고 있습니다.

 

 

 

  3. Deployable Space System

 

 

< 1U 큐브위성 수납 전개형 안테나 전파 시험 >

 

 

안테나, 광학계, 태양전지판과 같은 우주 구조물은 크기가 곧 성능을 결정하지만, 소형 위성에서는 수납 공간이 극히 제한됩니다. ARML은 1U 크기의 큐브위성 안에 수납되었다가 궤도에서 직경 0.5 m로 펼쳐지는 GNSS-RO 관측용 메쉬 반사판 안테나를 개발하여, 상용 안테나 대비 61% 향상된 13.07 dBi의 지향성을 확보하였습니다. 연구 결과는 2025년 12월 Aerospace Science and Technology에 게재되었으며, 우주항공청 우주전문인력양성사업과 ㈜오앤비스페이스와의 산학과제로 수행되고 있습니다.

 

이와 함께 서울과학기술대학교와 공동으로 곡률을 조절할 수 있는 자기잠금(self-locking) 전개형 종이접기 붐을 개발하는 등, 대형 전개 구조물의 기하 정밀도와 신뢰성을 확보하기 위한 설계 방법론 연구를 이어가고 있습니다.

 

 

 

  4. Aerial Robotics & Marine Robotics

 

< 드론용 전개형 태양광 패널 >

 

 

< AUV 수중 도킹 메커니즘 시험 >

 

 

우주를 위해 개발된 전개형·가변형 설계 철학은 지구에서도 유용합니다. 항공 분야에서는 종이접기 원리의 특수 힌지 구조를 적용하여 비행 중에는 접혀 공기저항을 최소화하고 착륙 후에는 넓게 펼쳐 지속적인 자율 충전이 가능한 소형 드론용 전개형 태양광 패널을 개발하고 있으며, 무인탐사연구소와 함께 이중 접힘 힌지를 이용한 접이식 날개 드론을 연구하고 있습니다.

 

해양 분야에서는 자율 수중로봇(AUV)의 회수와 도킹을 위한 새로운 수중 도킹 메커니즘을 개발하여 학술지에 발표하였으며, 수동적인 기하 정렬만으로 안정적인 포획이 가능한 도킹 인터페이스 연구로 확장하고 있습니다. 우주에서 시작한 아이디어가 하늘과 바다로 내려오고, 지구에서 검증한 개념이 다시 우주로 올라가는 분야 간 교류가 연구실 안에서 자연스럽게 일어나는 것이 ARML의 강점입니다.

 

 

 

  5. 연구실 생활과 문화

 

 

< 고흥 우주항공축제 >

 

 

ARML은 “발명가처럼 자유롭게 상상하고 무엇이든 만들어 볼 수 있는 연구실”을 지향합니다. 연구실에는 종이접기 모형들이 있고 3D 프린터, 레이저 커터가 항상 돌아가고 있으며 학생들은 아이디어가 생기면 컴퓨터 앞에 앉기 전에 먼저 손으로 만들어 봅니다. 손으로 만든 첫 시제품이 실패하는 것은 당연한 과정이며, 그 시제품을 앞에 두고 왜 안 되는지 함께 고민하는 것이 연구실의 일상입니다.

 

동시에 만드는 것에서 끝나지 않고 그것을 엄밀하게 설명하는 훈련을 강조합니다. 왜 이 형상이어야 하는지, 어디까지 견딜 수 있는지, 다른 방법 대비 무엇이 나은지를 수식과 실험으로 뒷받침해야 좋은 아이디어가 좋은 연구가 된다고 믿기 때문입니다. 최근에는 설계와 제어를 함께 최적화하는 데이터 기반 방법과 강화학습 같은 계산적 도구도 적극적으로 도입하고 있습니다.

 

연구실 학생들은 로버 현장 시험, 위성 개발 회의, 산업체 공동 연구에 직접 참여하여 실제 임무를 향한 하드웨어 개발 경험을 쌓고 있으며, 고흥 우주항공축제와 대전 사이언스 페스티벌에서 우주 로버·종이접기 체험 프로그램을 운영하는 등 연구실 밖 대중과의 소통에도 힘쓰고 있습니다.

 

ARML은 새로운 것을 상상하는 것을 좋아하고 그것을 직접 만들어 보고 싶어 하는 학생을 기다립니다. 항공우주공학뿐 아니라 기계, 재료, 전자, 컴퓨터 등 어떤 배경이든 환영하며, 종이접기를 좋아한다면 더욱 좋지만 필수는 아닙니다. 연구실에 관심 있는 학생은 홈페이지(arml.kaist.ac.kr)에서 더 많은 연구 영상과 소식을 확인할 수 있으며, 언제든 이대영 교수(ae_dylee@kaist.ac.kr)에게 문의하시기 바랍니다.

 

 

 

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원문    이대영 교수[ae_dylee@kaist.ac.kr]

편집              김준서[junnius@kaist.ac.kr]