KAIST의 ‘RAIBO2’, 다리형 로봇의 지속 운행 한계를 3배로 늘렸다

한국과학기술원(KAIST) 연구팀이 개발한 42kg짜리 4족 보행 로봇 ‘RAIBO2’가 2024년 11월 17일 경상북도 상주에서 열린 42.195km 상주 곶감 마라톤을 완주했다. 2024년 11월 17일, 단 한 번의 배터리 충전만으로 재충전이나 배터리 교체 없이 4시간 19분 52초의 기록으로 완주했다. 황보 제민 교수가 이끄는 이 로봇의 기계공학 팀은 2026년 9월 24일 『네이처(Nature)』에 해당 주행에 대한 공학적 분석 결과를 발표했다. 『네이처』는 로봇공학 연구 분야 논문이 본지에 게재되기 위한 기준을 충족하는 경우가 드물기 때문에 로봇공학 연구를 위한 별도의 자매 저널을 운영하고 있는데, 이 논문은 그 기준을 통과했으며, 한국 언론은 이미 이를 『네이처』에 게재된 최초의 한국 주도 로봇공학 연구로 주목하고 있다.

로봇 개가 마라톤을 완주했다는 이 헤드라인은, 생계를 위해 다리 달린 로봇을 구매하거나 사양을 결정하는 사람들에게는 이 기사에서 가장 유용하지 않은 부분이다. 『네이처』 논문이 실제로 기록한 것은 설계 방법론입니다. 즉, 사족 보행 로봇의 기계적 구조, 전기 및 동력 시스템, 이동 제어 시스템을 각각 별도의 기준에 따라 최적화된 후 나중에 결합하는 세 가지 구성 요소가 아니라, 하나의 연동된 시스템으로 다루는 방식입니다. 구성 요소 수준의 최적화와 대조되는 시스템 수준의 공동 설계라는 이 구별은, 단 한 번의 경주 결과보다 더 오래 지속되는 가치를 지니며, 보행 방식이 아닌 배터리 용량이 로봇이 한 교대 근무 동안 실제로 얼마나 많은 작업을 수행할 수 있는지를 결정하는 검사, 순찰 또는 물류 업무를 위한 다리형 플랫폼을 고려하는 누구에게나 자세히 살펴볼 가치가 있는 부분이다.

보행 로봇 에너지 소비량의 3분의 2가 열로 손실된다

KAIST 연구팀이 RAIBO2를 대상으로 실시한 자체 에너지 분석에 따르면, 다리형 로봇이 배터리에서 끌어오는 전력의 약 3분의 2가 모터 권선과 구동 전자 장치 내부에서 열로 손실되는 것으로 나타났는데, 엔지니어들은 이를 ‘구리 손실’이라고 부릅니다. 나머지 3분의 1은 관절 마찰, 발이 지면을 미끄러지는 현상 등을 통해 손실되며

발걸음마다 흡수되는 충격. 그 에너지 중 어느 것도 로봇을 앞으로 나아가게 하지 않는다. 이는 다리가 달린 기계가 단순히 다리를 가지고 있다는 이유만으로 치러야 하는 ‘서 있는 대가’이며, 배터리 용량을 와트시(Wh) 단위로 나열하고 그것으로 임무를 완수했다고 여기는 사양서에는 대체로 드러나지 않는다.

배터리를 더 크게 장착한다고 해서 이 ‘비용’ 문제가 해결되는 것은 아니다. 오히려 그 부담의 기반만 더 넓어질 뿐이다. 배터리가 무거워지면 로봇도 무거워지고, 무거운 로봇은 앞으로 단 1미터도 이동하기 전에 몸을 지탱하고 다리를 움직이는 데 더 많은 에너지를 소모한다. 황보 교수팀은 정반대의 접근 방식을 택했다. 그들은 RAIBO2의 네 다리 각각이 1.1킬로그램이 될 때까지 다리 무게를 줄였는데, 이는 로봇 전체 무게 42킬로그램의 약 10분의 1에 해당하며, 이렇게 확보한 질량을 더 큰 배터리에 할당했다. 연구진은 저저항 모터 구동 회로를 설계하여 별도의 하우징이 아닌 로봇 내부에 직접 장착함으로써 전기 손실을 줄이고, 제어 시스템이 걸음마다 더 빠르게 반응할 수 있는 대역폭을 확보했다. 강화 학습으로 훈련된 보행 제어기는 실제 트랙에 투입되기 전 시뮬레이션을 통해 경사면, 계단, 빙판 등 다양한 지형에 맞춰 튜닝되었으며, 특히 부드럽게 착지하고 미끄러짐을 방지하며 각 관절에서 소비하는 전류를 최소화하는 행동에 보상을 받도록 설계되었다. 내리막 구간에서는 오르막에서 에너지를 소모했던 바로 그 관절들을 활용해 소비된 에너지의 일부를 배터리로 회수했다. 테스트 결과, 로봇은 초당 3미터에 가까운 순항 속도에서 에너지 단위당 가장 긴 거리를 주행하는 것으로 나타났습니다. 이 속도는 충격 손실을 최소화하기에 충분히 느리면서도, 탑재된 컴퓨터와 센서의 지속적인 전력 소모가 불필요하게 긴 주행 거리에 분산되지 않을 만큼 충분히 빠른 속도였습니다.

다리형 로봇의 실제 주행 가능 거리는 배터리가 저장한 에너지의 양보다는, 그 에너지 중 배터리 셀에서 발걸음까지 전달되는 과정에서 얼마나 많이 보존되느냐에 더 크게 좌우된다. 이것이 바로 『네이처』 편집진이 메인 페이지에 실을 의향이 있었던 주장이다. 로봇이 얼마나 멀리 갈 수 있는지에 대한 주장이 아니라, 높은 이동 성능과 에너지 효율을 유지하기 위한 검증된 방법이었다.

서로 상충되는 요소들 간의 효율성을 실제 마라톤 텔레메트리 데이터, 전압, 전류, 온도, GPS 위치, 속도 및 고도 데이터를 바탕으로 검증했으며, 이는 통제된 실험실 환경의 러닝머신 주행 데이터를 재구성한 것이 아니라 실제 도로 코스에서 4시간 동안 지속적으로 기록된 데이터입니다.

20킬로미터가 한계였는데, RAIBO2는 이를 약 3배나 뛰어넘었다

이 효율성 주장은 ‘수송 비용’으로 측정되는데, 이는 이동체가 이동한 거리 단위당 운반한 체중 단위당 소비하는 에너지와 동일한, 로봇 공학 분야의 표준 지표입니다. 수치가 낮을수록 우수합니다. RAIBO2는 마라톤 코스에서 0.25의 운송 비용을 기록했는데, 이는 동일한 연구에서 인용된 인간 달리기 기준치인 0.37보다 낮은 수치로, 이 특정 비교 기준 하에서 인간 기록을 넘어선 최초의 사족 보행 로봇이 되었습니다. 이는 1킬로그램당 1미터 이동에 소요되는 에너지에 대한 좁고 명확하게 정의된 주장일 뿐, 로봇이 이제 전반적인 이동 능력에서 인간 주자를 능가한다는 광범위한 주장이 아니며, 이를 후자로 간주한다면 해당 수치가 실제로 측정하는 바를 과대평가하게 될 것이다.

이 거리 수치는 구매자들이 이미 잘 알고 있는 상용 시장 기준과 비교하기가 더 쉽습니다. 가장 널리 보급된 상용 사족 로봇인 보스턴 다이내믹스의 ‘스팟(Spot)’은 연속 주행 거리 기준이 아닌, 한 번 충전당 약 90분의 작업 주기별 가동 시간을 사양으로 제시하고 있는데, 이는 대부분의 점검 임무가 지속적인 도로 주행이 아닌, 중간중간 멈추는 짧은 걷기로 이루어진다는 점을 반영한 것이다. 경쟁사인 유니트리(Unitree)의 산업용 4족 보행 로봇 ‘B2’는 1회 충전 시 무부하 보행으로 약 20킬로미터를 주행할 수 있는 것으로 평가되는데, 이는 KAIST 연구팀이 4족 보행 로봇의 연속 주행 거리 기준치로 제시한 약 20킬로미터의 상한선과 일치한다. RAIBO2는 2,016와트시 배터리 중 약 1,280와트시를 소모하여 42.195킬로미터 코스를 완주하는 데 약 1,280와트시를 소모했으며, 연구팀의 자체 추산에 따르면 25킬로미터를 더 주행할 수 있는 충분한 전력이 남아 있어, 완전 충전 시 주행 거리는 약 65킬로미터에 달하며 이는 기존 상한치의 약 3배에 해당한다.

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다리 달린 로봇의 누적 주행 거리 기록은 사실 다른 종류의 시연에서 나온 것으로, 이번 사례와는 별도로 다루는 것이 타당합니다. ‘싱저 1호(Xingzhe No.1)’라는 중국산 4족 보행 로봇은 2015년, 95미터 실내 트랙을 54시간 이상 연속으로 돌며 134킬로미터를 주행했는데, 이 과정에서 배터리를 교체하며 계속 달렸다. 이는 느린 보행 속도로, 실내에서, 여러 번의 배터리 충전을 거쳐 달성한 정당한 거리 기록입니다. 반면 RAIBO2의 성과는 전혀 다른 범주의 기록입니다. 배터리 한 번 충전으로, 실제 고도 변화가 있는 실외 도로 마라톤 코스를, 체육관 바닥을 돌며 반복 주행하는 것이 아니라 인간 경쟁자들과 나란히 일정한 속도를 유지하며 달린 것입니다. 현재 시중에 나와 있는 상용 4족 보행 플랫폼 중, 스팟(Spot), 유니트리(Unitree) 제품군, ANYbotics의 ANYmal을 포함해 그 어떤 것도 공개 행사에서 이러한 특정 조합에 근접한 성과를 달성한 적이 없습니다.

추가 주행 거리가 함대 운영자에게 실제로 가져다주는 이점

현장 작업을 위해 다리 달린 로봇을 평가하는 구매자에게 주행 거리는 곧 차량 운용의 수학적 계산으로 직결됩니다. 90분마다 또는 20킬로미터마다 재충전이 필요한 플랫폼은 그보다 긴 경로나 근무 시간 동안 두 번째 유닛으로 교대하거나 작동을 일시 중지해야 하며, 이는 경로 어딘가에 충전 인프라가 반드시 존재해야 함을 의미합니다. 한 번 충전으로 40~60킬로미터를 주행할 수 있는 플랫폼은 경계 순찰, 파이프라인 또는 철도 구간 점검, 재난 대응과 같은 임무에서 이러한 운영 방식을 바꿔놓습니다. 이는 바로 황보 씨가 직접 언급한 임무들입니다: 그는 “네 다리 로봇은 험한 지형을 잘 헤쳐 나가지만, 충전 장소를 확보하기 어려운 산악 지역이나 재난 현장에서는 주행 거리가 바로 그 지형 극복 능력이 실제로 얼마나 유용하게 활용될 수 있는지를 제한하는 요인이 된다”고 말했다. 더 크고 무거운 배터리 팩 대신 시스템 수준의 효율성을 통해 주행 거리를 늘리는 방식은, 용량 증가로 인한 무게 증가가 구매자가 비용을 지불하고 얻는 효율성 향상을 상쇄하는 일반적인 상충 관계를 피할 수 있게 해줍니다.

RAIBO2의 상용화 실적은 실재하지만 아직 미미한 수준이며, 구매자들은

더 큰 규모가 아니라 그 정도 규모로 봐야 한다. 황보가 연구실의 성과를 제품화하기 위해 2023년에 설립한 KAIST 스핀오프 기업인 라이온 로보틱스(Raion Robotics)는 지난해 RAIBO2 9대를 판매했으며, 올해는 4족 보행 로봇 50대 생산을 목표로 하고 있다. 한국 국방부와의 개념 검증(PoC) 프로젝트와 화학·생물·방사능 탐지 탑재체 연구도 병행하고 있다. 또한 이 회사는 방수, 방진 및 광범위한 온도 범위 인증을 추진 중인데, 이는 연구용 플랫폼과 대학원생의 대기 없이도 고객이 직접 배치할 수 있는 상용 제품을 구분 짓는, 화려하지는 않지만 필수적인 내구성 작업이다. 9대와 50대 목표는 어떤 산업 기준으로도 초기 단계의 생산량에 불과하며, 시장 출시 준비가 완료되었다는 증거라기보다는 향후 방향성을 시사하는 신호에 가깝다.

길을 읽지 못하는 마라톤 완주자

RAIBO2가 실제로 코스를 어떻게 주행했는지에 대한 솔직한 한계점이 있다. 이 로봇은 카메라를 탑재하고 있었지만, 카메라가 포착한 영상을 해석할 수 있는 온보드 소프트웨어는 없었다. 인간 조작자가 42.195km 전 구간을 원격으로 조종했기 때문에, 이번 성과는 충전이나 배터리 교체 없이 동력 측면에서 자율적이었으나, 전 과정에 걸쳐 사람이 제어 루프에 계속 개입했기 때문에 내비게이션 측면에서는 자율적이지 않았습니다. 이 연구를 검토한 두 명의 독립적인 로봇공학자, 카네기멜론 대학교의 사라 버그브라이터와 캘리포니아 대학교 산타바바라 캠퍼스의 케이티 바일은 효율성과 안정성 측면에서 얻은 성과를 높이 평가하면서도 이 한계를 직접 지적했다. 바일은 이 로봇이 ‘눈이 먼 채로 달리는’ 것과 같다고 묘사하며, 배터리 교체를 위해 옆에서 조깅하며 따라가는 인간 지원팀이 필요한 최근의 휴머노이드 경주 로봇들과 이 설정을 비교했는데, 이는 동일한 의존성을 더 경량화한 형태라고 설명했다.

이 연구의 제1저자인 이충인 씨는 자율성을 추가하면 전력 소모가 늘어난다고 밝혔으며, 연구팀은 현재 마라톤을 통해 입증하고자 했던 효율성 향상이 추가된 인식 기능으로 인해 상쇄되지 않도록, 더 소형화된 온보드 센싱 및 연산 장치 개발에 주력하고 있다. RAIBO2 자체도 또한

이 연구 장비는 생산 라인에서 양산된 제품이 아니라, 주로 이를 연구하는 연구원들이 직접 설계하고 조립한 수작업 연구용 장치입니다. 고객이 지불할 수 있는 비용 범위 내에서, 야외 배치에 필요한 내구성을 갖추고, 양산 가능한 로봇 군 전체에 걸쳐 이와 똑같은 성능을 재현하는 것은 상용화 과정에서 가장 어려운 부분이며, 아직 완성된 결과가 아닌 해결해야 할 과제로 남아 있습니다. 사람이 조종하는 단 한 번의 마라톤을 다리 달린 로봇이 무인 현장 임무 수행에 준비되었다는 증거로 간주하는 것은 『네이처(Nature)』에 실린 데이터가 실제로 보여주는 바를 과장하는 것이다.

상주 시립 경기장 내 결승선에서, 전광판에는 로봇의 출전 번호인 42004, 그리고 4시간 동안 로봇과 나란히 조깅했던 연구원들은 목에 메달을 건 채 기계 옆에 무릎을 꿇었다. 로봇은 트랙 위에 서 있었고, 4시간 동안 모터 전류가 흐르며 다리가 여전히 따뜻했으며, 배터리 잔량은 대부분의 상용 사족 보행 로봇이 총합해 가진 양보다 더 많았다. 마라톤 결과 그 자체가 아니라 바로 그 장면이야말로 주목할 가치가 있다. 도중에 열과 마찰로 에너지를 낭비하기보다 저장된 에너지를 장거리 주행에 사용하도록 설계된 이 야외용 로봇은 여전히 조종 장치를 잡은 사람의 손에 연결되어 있었으며, 로봇이 스스로 볼 수 있도록 만드는 더 어려운 공학적 과제는 아직 남아 있었다.

이 기사는 2026년 9월 24일자 『네이처(Nature)』에 게재된 연구에 대한 KAIST의 공식 성명 및 발표된 연구 결과와, 해당 연구를 바탕으로 한 독립적인 보도를 종합한 것입니다. 본 기사는 일반적인 정보 제공을 목적으로 하며, 투자, 금융 또는 법률 자문을 구성하지 않습니다.

대표 이미지 출처: KAIST.