로봇으로 조립하는 빌딩 블록이 기존 건설 기술 대비 대규모 구조물을 더 효율적이고 지속 가능하게 짓는 대안이 될 수 있다는 연구 결과가 나왔다.
미국 매사추세츠공과대학교(MIT) 연구팀은 모듈식 3차원(3D) 소단위인 '복셀(voxels)'을 활용해 건물을 짓는 효율성 관련 타당성 조사를 수행했다. 이때 복셀은 복잡하면서도 내구성 있는 구조물로 조립되는 블록 단위다.
연구팀은 다양한 복셀의 성능을 분석한 뒤 건설 공정을 간소화하는 세 가지 새로운 디자인을 개발했다. 이와 함께 로봇 조립기와 복셀 기반 건물 레이아웃을 생성하고, 로봇에 작업 지침을 전달하는 사용자 화면(UI)도 제작했다.
연구 결과에 따르면, 복셀 기반 로봇 조립 시스템은 3D 콘크리트 프린팅이나 철골 구조 등 기존 공법 대비 내재 탄소(Embodied Carbon)를 최대 82%까지 줄일 수 있다. 이 가운데 내재 탄소는 건물 자재의 전체 수명 주기 동안 배출되는 탄소 총량을 뜻한다.
이 시스템은 비용과 건설 시간 면에서도 경쟁력을 갖춘 것으로 분석됐다. 다만 복셀 제조에 쓰이는 재료 선택이 탄소 발자국과 비용에 큰 영향을 미치는 것으로 드러났다. 연구팀은 시스템의 광범위한 보급을 위해 확장성·내구성·견고성·내화성 등을 추가로 탐구해야 할 과제로 꼽으면서도, 초기 결과가 자동화 현장 건설의 잠재력을 충분히 보여줬다고 평가했다.
팀은 조립 전략의 타당성을 살피기 위해 유리 강화 나일론이나 강철 격자 등 8가지 기존 복셀 디자인의 성능을 먼저 평가했다. 이를 바탕으로 로봇이 더 쉽게 조립 가능한 새로운 기하학 구조의 복셀 세트 세 가지를 개발했다. 새 디자인은 기계적으로 자동 정렬돼 견고한 구조를 형성하는 것이 특징이다.
이들은 건설 속도를 높이기 위해 자벌레(Inchworm)처럼 구조물을 가로질러 이동하는 로봇 조립 시스템도 설계했다. 밀라봇(MILAbots)이 그 로봇이다. 이는 양 끝의 그리퍼(Gripper)로 복셀 블록을 배치하고, 별도 부품 없이 탄성으로 조립하는 결합 방식인 스냅핏(Snap-fit)으로 연결한다. 스미스는 로봇이 복셀을 제자리에 떨어뜨린 뒤 밟아서 조각들을 서로 맞물리게 하는 방식이라고 설명했다.
탄소 배출 연구에서는 플라스틱·합판·강철 등 세 가지 재료를 비교했다. 분석 결과, 대부분의 플라스틱 복셀은 기존 공법보다 지속가능성(Sustainability)이 떨어졌지만, 강철·목재 복셀은 환경적 이점을 제공한 것으로 나타났다.
특히 강철 복셀은 3D 콘크리트 프린팅 대비 내재 탄소 발생량이 36% 수준이었고, 합판 복셀은 탄소 발자국(Carbon Footprint)이 가장 낮아 기존 공법의 17~24%만 배출했다. 조립 시간 또한 기존 방식이 평균 155시간 소요될 때 복셀 방식은 99시간에 불과해 분산 조립의 속도 이점을 증명했다.
미아나 스미스(Miana Smith) MIT 비트앤아톰센터(CBA) 연구원는 이번 연구에 대해 "로봇을 이용한 개별 격자 조립 방식이 디지털 제작 기술을 실제 건축 현장에 적용할 수 있는 실용적인 길을 열었다"고 평가했다. 이번 연구에는 폴 리처드(Paul Richard) 스위스 로잔 연방 공과대학교(École Polytechnique Fédérale de Lausanne, EPFL) 연구원, 알폰소 파라 루비오(Alfonso Parra Rubio) MIT CBA 연구원 등이 참여했다. 아울러 닐 거션펠드(Neil Gershenfeld) MIT 교수 겸 CBA 소장이 교신 저자로 이름을 올렸다.
한편, 이번 연구는 글로벌 건설 IT 및 자동화 학술지 오토메이션 인 컨스트럭션(Automation in Construction)에 게재됐다.
헬로티 최재규 기자 |
