▲에트나 화산에서의 달 탐사 로봇 모의 탐험. (사진=DLR)

독일 항공우주센터(DLR)가 지난 2018년부터 아치스(ARCHES) 프로젝트의 일부로 개발돼 온 이종 자율 네트워크 로봇 시스템 시험 프로젝트를 완료했다고 이달초 발표했다. 아치스 프로젝트는 DLR 주도의 ‘현대 사회 지원을 위한 헬름홀츠 자율로봇 네트워크 미래 프로젝트’다.

DLR 로봇팀은 프로젝트 기간 중 이탈리아 시칠리아의 활화산인 에트나산에서 인간의 팔과 눈의 연장 역할을 하는 다양한 로봇을 테스트했다. 이 화산은 특히 화산암과 입상 표면을 가지고 있어 달과 유사성을 가진다. 에트나 화산의 용암 지형은 달의 표면을 닮아서 시험 환경 역할을 하기에 매우 적합하다. 느슨하고 결이 거친 표면 구성 외에도, 굳어진 용암층은 탐험 임무에 필요한 현실적인 도전 환경을 제시하기에 거의 실제와 비슷한 환경에서 로봇을 시험하기에 적격이다.

DLR의 로봇들은 사람에게 위험하거나 사람이 접근할 수 없는 지역을 탐사할 수 있는데 심지어 달과 다른 행성을 탐사할 수 있다.

DLR의 다양한 로봇들은 이제 막 에트나 화산에서 인간을 대신한 독립적 작업을 완수함으로써 탐사 능력을 확인했다. 이 로봇들은 암석 샘플을 채취하고 분석해 그 결과를 제어 센터에 전달했다.

로봇들은 이 임무 외에도 ‘지질학적 임무 1’으로 명명된 두 가지 다른 시나리오를 시연했다.

아르민 베들러 DLR 로봇 및 메카트로닉스 연구소 프로젝트 매니저는 “이동 로봇 팀은 미래의 우주 임무에서 중요한 역할을 한다. 이질적인 팀에서 운영되는 이 로봇들은 서로 다른 능력으로 서로를 보완하고 지원한다. 이들은 인간의 팔과 눈의 연장 역할을 한다”고 설명했다.

‘지질 미션 1’에서는 두 로봇이 자율적으로 함께 움직였다. 드론이 이들에 합류했다.

▲에트나 화산에서의 달 탐사 로봇 모의 탐험. (사진=DLR)

경량 로버 장치1(LRU1) 로봇은 카메라를 사용해 토양 샘플을 평가했으며 팀의 ‘과학자’로 여겨진다. LRU2는 표면 샘플을 수집하고 레이저 유도 파괴 분광학(Laser-Induced Break Spectroscopy·LIBS)을 사용해 분석하는 ‘조수’ 역할을 수행했다.

이 기술은 강력한 펄스 레이저 빔을 샘플로 쏜다. LIBS는 이 물질이 부분적으로 증발하면서 생성된 플라즈마에서 다양한 요소를 감지하게 된다.

LIBS는 DLR 광학 센서 시스템 연구소에 의해 개발됐다. 또한 LRU2는 스토리지 컨테이너를 옮기고 도구를 위한 공간을 제공하며 LRU1이 항상 와이파이 통신을 할 수 있도록 보장한다.

아르데아(ARDEA) 드론은 팀의 ‘스카우트’로 여겨지며, 이 지역의 지도를 만든다. 때때로 에트나 화산에 서 부는 강한 바람 때문에, 아르데아와 LIBS의 능력을 모든 실험 때마다 사용할 수는 없었다.

세 가지 시나리오는 전반적인 조건이 서로 다른 상황에서 이뤄졌다.

◆지질학적 임무 1, 로봇과 제어실 지속적 연결

▲에트나 화산에서의 달 탐사 로봇 모의 탐험. (사진=DLR)

‘지질학적 임무 1’은 과학자들이 지구에서 로봇들의 임무를 감시하는 개념에 바탕을 두고 있었다.

에트나 화산에서도 수행한 ‘지질학적 임무 2’는 다르다. 이 경우 로봇은 달이나 다른 행성 궤도에 있는 정거장에서 조종된다.

LRU1 및 LRU2 외에도 ‘인터랙티브 로버’가 암석 샘플을 수집해 착륙선으로 가져왔다. 인터랙트 로버는 햅틱 피드백을 제공하는 카메라 팔과 그리퍼 팔을 가지고 있다.

이것은 원격 과학자들이 암석 샘플에 대한 촉각적 ‘느낌’을 얻을 수 있다는 것을 의미한다. 칼스루에 공대(KIT)는 인간-기계 인터페이스가 가능한 햅틱 손이 달린 로봇 팔을 개발했다.

네 번째 로봇인 ‘스카우트’ 로버에는 와이파이 중계기가 장착돼 스스로 자리잡으면서 ‘인터랙티브’ 로버가 제어실에 지속적으로 연결되도록 하고 있다.

◆지질학적 임무 2, ISS에서 지구나 달에 있는 로봇 제어

▲에트나 화산에서의 달 탐사 로봇 모의 탐험. (사진=DLR)

‘지질학적 임무 2’에서 로봇은 자율적으로 일하는 것이 아니라 우주 비행사의 안내를 받는다.

시범 임무 동안 독일 우주비행사 토마스 라이터는 약 23km 떨어진 카타니아의 특별 통제실에서 이 임무를 수행했다. 지질학적 임무 2는 유럽우주국(ESA) ‘아날로그-1’ 캠페인의 결말을 의미하기도 한다.

지난 2019년 ESA 우주비행사 루카 파르미타노는 아날로그-1 캠페인의 일환으로 국제우주정거장(ISS)에서 네덜란드의 모의 달 환경에 있는 인터랙티브 로버를 조종했다.

ESA 인간 로봇 상호 작용 연구소의 토마스 크뤼거는 “우리는 미래의 임무 개발에 도움이 될 많은 경험을 쌓았다. 현재 진행 중인 프로젝트 외에도 아치스의 연구 결과를 바탕으로 로봇 분야의 추가 협업이 매우 기대하고 있다”고 말했다.

◆로파(LOFAR) 실험···달 반대편 안테나

▲에트나 화산에서의 달 탐사 로봇 모의 탐험. (사진=DLR)

세 번째 시나리오인 ‘로파 실험’(LOFAR Experiment)에는 저주파 무선 안테나 어레이의 설치 및 유지보수를 시뮬레이션하는 것이 포함됐다. LRU 로버와 아르데아 드론은 달 뒷면에 안테나 시스템을 설치하는 것을 시연했다. 유사한 안테나가 달 표면에서 깊은 우주로 유도될 수 있다.

◆헬름홀즈 미래 프로젝트 ‘아치스’(ARCHES)

▲에트나 화산에서의 달 탐사 로봇 모의 탐험. (사진=DLR)

이종 자율 네트워크 로봇 시스템들은 지난 2018년부터 현대 사회 지원을 위한 헬름홀츠 자율로봇 네트워크 미래 프로젝트(ARCHES·아치스)의 일부로 개발돼 오고 있다.

여기에는 다양한 로봇과 활용 분야가 포함된다. 태양계를 탐사하는 것 외에도 해양에 대한 환경 감시와 지구의 위기 동안 지원할 수 있는 길을 열어준다.

결국 에트나 산에서 일어난 ‘스페이스(Space)’ 시연 임무는 코로나19 팬데믹(세계적 대유행)으로 인해 여러 차례 연기될 수 밖에 없었다.

아치스의 일부이기도 한 ‘심해’(Deep Sea) 시연 임무는 2020년 말에 이뤄졌다.

◆에트나 화산 ‘스페이스’ 시연 참여 기관들

스페이스 시연 임무는 카타니아의 DLR이 칼스루에 공과대학교(KIT) 및 유럽 우주국(ESA)과 함께 수행했다. 다른 아치스 프로젝트 파트너로는 알프레드 베게너연구소(AWI, 헬름홀츠 극지 및 해양연구센터)와 헬름홀츠 키일 해양연구센터(Helmholtz Center for Ocean Research Kiel·GEMAR)가 있다.

‘극한 조건에서의 로봇 탐사’(ROBEX·로벡스) 시연 임무는 5년 전에 에트나 산에서 이뤄졌다. 아치스는 로벡스를 통해 얻은 경험을 바탕으로 하고 있다.

DLR 로봇 및 메카트로닉스 연구소 외에도, DLR 시스템 다이내믹스 및 제어, 통신 및 내비게이션 및 광학 센서 시스템 연구소, 우주 운영 및 우주 비행사 훈련 시설 등이 모두 아치스에 참여했다.