[IT동아 강형석 기자] 생성형 AI가 세상을 바꿀 것이라던 흥분이 채 가라앉기도 전에, 인공지능(AI) 산업의 무게중심은 피지컬 AI(실물 인공지능)로 빠르게 옮겨가는 중이다. AI는 인간의 언어를 이해하는 데서 그치지 않고, 일상 속 물리적 노동의 영역까지 파고드는 중이다.

피지컬 AI는 카메라·라이다·힘 센서 같은 측정장비로 환경을 인지하고, 대규모 모델로 판단한 다음, 액추에이터로 움직임을 만들어 상호작용한다. 문을 여는 사소해 보이는 동작조차 손잡이의 형태를 인식하고 필요한 힘을 계산한 뒤, 로봇 팔을 정확한 각도로 돌려야 비로소 완성되는 복합 과정이다. 세 단계 가운데 어느 하나라도 어긋나면 행동은 실패로 이어진다.

시장은 주로 인공지능 신경망의 고도화나 데이터 처리 속도에 주목한다. 컴퓨팅 연산 능력이 로봇의 지능을 결정짓는다고 여기는 탓이다. 하지만 피지컬 AI 구현에 필요한 소프트웨어 못지않게 하드웨어, 그중에서도 로봇의 근육과 관절 역할을 하는 액추에이터(Actuator, 구동기) 역시 중요하다. 아무리 빠른 판단 능력을 가진 인공지능이라 할지라도, 물리적인 힘과 움직임으로 변환해 줄 장치가 없다면 그저 회로 기판 속에 갇힌 데이터 쪼가리에 불과하다.

피지컬 AI의 핵심 부품, 액추에이터는 무엇인가?

액추에이터는 에너지를 공급받아 실제 움직임으로 바꾸는 장치다. 전기·유압·공기압력 등 다양한 형태의 에너지를 힘이나 토크 같은 물리적 운동으로 변환한다. 말하자면 액추에이터는 피지컬 AI에게 사람의 근육과 인대에 해당하는 부품인 셈이다. 피지컬 AI 시장이 열리기 전에는 제조·자동차·항공우주·건물 냉난방 등 광범위한 산업에서 이미 폭넓게 활용되어 왔다.

액추에이터는 크게 세 부품의 조합으로 이뤄진다. 힘을 만들어내는 모터, 회전력을 증폭하거나 방향을 바꾸는 감속기·전달장치, 그리고 얼마나 움직일지 지시하고 위치를 확인하는 제어기·센서다.

작동 원리에 따라 종류도 여러 갈래로 나뉜다. 먼저 전기 방식이다. 전력으로 DC 모터·스텝 모터·서보 모터 등을 구동해 움직임을 만들어낸다. 밀도가 높고 제어가 편하며 배터리와 궁합이 좋다는 게 장점으로 꼽힌다. 유압 방식도 널리 쓰인다. 고압의 오일을 실린더나 피스톤에 밀어 넣어 힘을 낸다. 속도는 느리지만 압도적인 힘을 자랑해, 굴착기·산업용 프레스·중공업 설비처럼 큰 힘이 필요한 환경에 알맞다.

압축 공기로 구동하는 공압식 액추에이터도 활용된다. 상대적으로 저렴하고 응답 속도가 빠르지만, 정밀한 위치 제어 성능은 부족하다는 평이다. 최근에는 형상기억합금(SMA)이나 압전소자(피에조) 같은 특수 액추에이터도 정밀 위치 제어와 초소형 기기를 중심으로 활용되는 추세다.

로봇의 액추에이터는 힘의 크기뿐 아니라 운동 방향에 따라서도 회전형과 직선형으로 나뉜다. 회전형은 어깨·팔꿈치·손목·고관절 같은 관절에서 회전 운동을 만들어낸다. 직선형은 볼스크류나 롤러스크류 등을 활용해 밀고 당기는 힘을 만들어내며, 스쿼트 자세에서 무릎을 펴는 동작이 대표적인 예다. 사람이 굽히고 펴고 돌리는 대부분의 움직임은 로봇에서 이 두 가지 형태로 재현된다.

왜 피지컬 AI에 액추에이터가 중요한가?

피지컬 AI 산업에서 액추에이터가 주목받는 첫 번째 이유는 비용이다. 시장조사기업 인터랙트 애널리시스(Interact Analysis)는 로봇 관절에 쓰이는 액추에이터가 고사양 휴머노이드에서 30% 이상, 기본 사양에서는 50% 이상을 차지하는 구조라고 분석했다. 글로벌 컨설팅 기업 맥킨지앤컴퍼니 역시 액추에이터가 전형적인 휴머노이드 원가 데이터(BOM)의 40%~60%를 차지할 것으로 봤다. 이 정도 비중이면 모터와 감속기, 베어링, 동작 제어 시스템의 원가 경쟁력이 로봇 완제품 가격을 사실상 결정한다고 봐도 무리가 없다. 로봇 판매 비용을 낮춰 대중화하려면 그 어떤 부품보다 액추에이터의 원가부터 낮춰야 한다는 주장에 힘이 실리는 이유다.

액추에이터가 중요한 또 다른 이유는 로봇 성능을 좌우하는 핵심 변수라는 점이다. 로봇은 힘을 내기 위해 모터를 키우면 무게가 늘고, 늘어난 무게를 지탱하려면 다시 더 큰 힘이 필요해지는 구조다. 이 악순환을 끊으려면 무게 대비 힘을 내는 토크 밀도(Nm/kg)가 높아야 한다. 대표적인 사례가 피규어 AI가 공개한 3세대 휴머노이드, 피규어 03이다. 피규어 AI에 따르면 액추에이터 속도를 두 배로 높여 토크 밀도를 끌어올린 결과, 물건을 집고 놓는 동작 속도가 한층 빨라졌다고 밝혔다.

로봇의 구조 자체에도 영향을 미친다. 액추에이터를 어디에 어떻게 배치하느냐에 따라 로봇의 형태와 지능 수준이 달라지기 때문이다. 일례로 테슬라는 3세대 옵티머스에서 손 안의 액추에이터 25개를 모두 팔로 옮기고, 케이블을 힘줄처럼 구현해 손가락을 구동하는 인체 모방 설계를 채택했다. 그 결과 손이 가벼워지면서 더 빠르게 움직였고, 발열 관리도 한결 수월해졌다. 손가락 하나당 자유도 역시 두 배로 늘었다. 피규어 03도 촉각 센서를 액추에이터와 결합해 3g의 미세한 압력까지 감지하도록 만들었다.

액추에이터는 로봇의 신뢰성을 구현하는 데도 빠질 수 없다. 피지컬 AI 산업은 힘을 세게 내는 능력 못지않게 힘을 조절하는 능력에도 집중한다. 사람과 부딪혔을 때 피해를 최소화하거나, 물건을 쥘 때 대상의 형태에 맞춰 힘을 조절하는 등 다양한 변수를 세밀하게 관리해야 로봇에 대한 거부감이 줄어든다. 액추에이터 크기는 작지만, 충격 흡수와 민첩한 동작 구현이 가능한 준직결구동(QDD) 방식이 주목받는 배경이다.

액추에이터 기술은 어디까지 왔나?

액추에이터 기술은 감속기 기술의 다변화, 준직결구동 구조, 직선 운동을 위한 플래니터리 롤러스크류(Planetary Roller Screw) 등이 영역을 넓히는 중이다. 기존 액추에이터 역시 로봇 환경에 맞춰 개량되며 성능이 꾸준히 향상됐다.

감속기는 모터가 만들어내는 고속·저토크 출력을 로봇 관절에 필요한 저속·고토크 힘으로 바꿔주는 부품이다. 주로 하모닉(스트레인 웨이브) 감속기를 채택하는데, 작고 가벼우며 백래시(빈틈 회전)가 적어 정밀 제어에 유리하다. 이 시장은 일본 하모닉 드라이브 시스템즈와 나브테스코가 주도권을 쥐었으나, 중국의 추격이 거세다.

준직결구동 방식은 고토크 밀도의 프레임리스 모터와 낮은 감속비의 유성 기어(플래니터리)를 결합한 액추에이터다. 큰 토크를 빠르게 낼 수 있고 백드라이버빌리티(외력에 유연하게 반응하는 특성)가 좋아 사족·이족 보행 로봇의 다리에 알맞다는 평이다. 로보틱스 스타트업을 중심으로 준직결구동 방식 액추에이터를 적용한 휴머노이드 개발이 활발하다.

대표적인 직선형 액추에이터인 플래니터리 롤러스크류는 성능이 뛰어나지만, 가격이 비싸다는 점이 한계로 지적된다. 볼스크류 C3 등급(300mm 이동거리당 0.012mm 누적 이송 오차) 수준의 정밀도가 필요한 초정밀 부품이 들어가는 탓이다. 유럽(특히 스위스와 독일)과 일본 등 정밀기기 강국을 중심으로 고도화가 한창이다.

피지컬 AI 산업은 로봇과 액추에이터를 통합 설계하는 방향으로 이동했다. 테슬라는 옵티머스에 들어가는 28개 액추에이터 전량을 자체 설계했다. 피규어 AI도 액추에이터·배터리·센서·구조물·전자 부품을 모두 내부에서 설계하는 구조로 전환했다. 그럼에도 스크류·감속기·모터·배터리 같은 핵심 부품은 대안이 거의 없어, 자체 설계를 진행하는 기업들조차 외부 공급에 의존할 수밖에 없는 구조다.

대한민국도 최근 피지컬 AI 산업 구축에 나서기 위한 채비에 돌입했다. 삼성전자·현대자동차그룹·LG전자·두산 등이 피지컬 AI 경쟁을 위한 기술 개발과 투자에 나섰다. 글로벌 금융기업 골드만삭스는 2026년 발간한 보고서 '휴머노이드 로봇 개발에서 한국의 역할 확대(South Korea's Growing Role in Humanoid Robot Development)'에서, 한국이 2030년까지 약 7만 4000대, 2035년까지 41만 2000대 규모의 휴머노이드를 공급할 수 있을 것으로 내다봤다. 아울러 한국 정부가 로봇 산업을 국가적 과제로 강하게 밀어붙이고 있다고 분석했다.

액추에이터는 모터의 전자기적 설계 기술과 신소재 기반의 초경량 감속기, 인공지능 제어 기술이 어우러진 첨단 융합 부품으로 진화하는 중이다. 시장 선점을 놓고 전 세계 자본과 기술이 몰려드는 지금, 한국도 경쟁력을 갖추려면 기업과 정부가 함께 힘을 쏟아야 할 시점이다.

IT동아 강형석 기자 (redbk@itdonga.com)