Robotic additive repair of damaged rammed-earth walls using printable earthen materials: a proof-of-concept experimental study

수 세기 동안 세계 여러 지역에서 집, 창고, 요새의 벽은 말 그대로 땅에서부터 위로 쌓아 올려졌습니다. 건축가들은 현지의 흙을 가져와 물과 섞은 뒤, 이를 나무 틀에 넣고 단단하게 다져서 '람드 어스(rammed earth, 다진 흙)'라고 불리는 견고하고 내구성이 있는 구조물이 될 때까지 층층이 쌓아 올립니다. 이 고대 기술은 기후와 함께 호흡하며 열을 저장하고, 지구에 아주 적은 흔적만을 남기는 건물을 만들어냅니다. 그러나 흙으로 만든 모든 것이 그러하듯, 이 벽들도 취약합니다. 시간이 흐르면서 비, 바람, 그리고 단순한 세월의 흐름은 벽의 표면을 침식시키거나, 모서리를 깎아내거나, 깊은 균열과 구멍을 남길 수 있습니다. 이러한 벽을 수리하는 것은 섬세한 작업입니다. 만약 잘못된 종류의 현대식 시멘트나 콘크리트로 보수한다면, 내부의 습기를 가두거나 부드러운 흙 아래의 딱딱한 껍데기를 만들어 균열을 유발할 수 있기 때문입니다. 좋은 보수의 목표는 원래의 흙과 느낌 및 성질이 유사한 재료를 사용하여, 나머지 벽을 방해하지 않으면서 손상된 부분을 채우는 것입니다.

이제, 인간의 손처럼 정교하게 움직일 수 있지만 결코 지치지 않는 기계를 사용하여 벽의 울퉁불퉁한 구멍을 완벽하게 정밀하게 채운다고 상상해 보십시오. 이것이 연구자들이 해결하고자 했던 과제였습니다. 그들은 로봇이 단순히 위에 패치를 붙이는 것이 아니라, 원래의 토양을 모방한 특수한 혼합물을 사용하여 층층이 새로운 부분을 재건함으로써 역사적인 흙 기반 벽을 수리하도록 학습시킬 수 있는지 알고 싶었습니다. 질문은 단순히 로봇이 움직일 수 있느냐가 아니라, 새로운 재료가 잘 달라붙고 형태를 유지하며 실제로 벽이 다시 튼튼하게 서 있도록 도울 것인지, 아니면 그저 그곳에 약한 껍데기로 머물 것인지에 관한 것이었습니다.

스페인, 중국, 호주의 대학 및 공학 부서 연구진은 이 아이디어를 테스트하기 위해 통제된 실험실 환경에서 실험을 진행하기로 했습니다. 그들은 전통적인 람드 어스 방식으로 커다란 벽을 구축한 뒤, 수년간의 침식을 시뮬레이션하기 위해 상단 부분을 의도적으로 손상시켰습니다. 그들의 목표는 6개의 팔을 가진 기계 팔과 노즐을 장착한 이동형 로봇이 벽 앞의 공간을 탐색하며 새로운 '출력 가능한 흙 수리 혼합물'을 배치할 수 있는지 확인하는 것이었습니다. 이 재료는 시멘트 없이 설계되었습니다. 대신, 원래의 벽과 유사하게 작동하도록 현지 토양, 모래, 그리고 식물 섬유와 전분 같은 천연 결합제를 혼합하여 만들었습니다.

로봇은 얇은 수평 층으로 새로운 재료를 쌓기 위해 앞뒤로 움직이며 특정 경로를 따르도록 프로그래밍되었습니다. 과정은 성공적이었습니다. 기계는 약 200kg의 혼합물을 성공적으로 배치하여 손상된 부분을 원래 벽의 모양과 일치할 때까지 쌓아 올렸습니다. 재료는 노즐에서 매끄럽게 흘러나왔고, 층이 쌓임에 따라 형태를 유지했으며, 아래의 기존 흙과 결합했습니다. 붕괴는 없었으며, 새로운 섹션은 견고하게 섰습니다. 이 실험 단계는 로봇이 이 정도 크기의 벽을 수리하는 물리적 작업을 수행할 수 있으며, 인간 작업자가 그렇게 일관되게 재현하기 어려운 연속적이고 안정적인 수리 구역을 생성할 수 있음을 입증했습니다.

하지만 벽을 쌓는 것은 첫 단계일 뿐이었습니다. 연구자들은 이 로봇으로 수리된 벽이 실제로 무게를 견딜 수 있는지 알아내야 했습니다. 그들은 수리된 벽의 작은 버전들을 가져와 동일한 흙으로 만든 새 벽과 비교하며, 실패할 때까지 압축 기계로 눌렀습니다. 수리된 벽은 새 벽만큼의 무게를 견디지 못하고 22.74 킬로뉴턴의 최대 하중에 도달했습니다. 이는 새 벽 강도의 약 56% 수준이었습니다. 이는 예상된 결과였는데, 수리된 벽은 오래된 압축 흙과 새로운 층상 재료가 섞여 있었고, 연구자들 또한 수리된 부분이 완전히 새롭게 만들어진 단단한 블록만큼 강할 것이라고 기대하지 않았기 때문입니다. 그러나 벽은 단순히 무너지는 대신, 지면을 지키며 상당한 하중을 견뎌냈으며, 이는 수리가 단순히 외관상의 작업이 아니라 구조적인 작업임을 증명했습니다.

벽이 압축되는 동안 내부에서 어떤 일이 일어났는지는 놀라운 통찰을 제공했습니다. 연구자들은 기존의 하단 부분과 로봇이 새로 만든 상단 부분 모두에 미세한 센서를 설치했습니다. 무게가 증가함에 따라, 센서는 새로운 출력 층이 아래의 기존 층보다 훨씬 더 많이 늘어나고 변형된다는 것을 보여주었습니다. 최대 압력이 발생하는 지점 근처에서, 새로운 재료는 원래의 흙보다 거의 5배 더 많은 변형률(strain)을 흡수했습니다. 이는 로봇으로 출력된 층이 보호용 쿠션 역할을 했음을 시사합니다. 즉, 새로운 재료가 충격을 흡수하고 늘어나며 에너지를 받아냄으로써, 스트레스가 역사적인 원래의 벽을 균열시키는 대신 그 충격을 대신 받아낸 것입니다. 벽이 마침내 손상을 보였을 때, 균열은 주로 교체 가능한 상단의 새로운 부분에서 나타났으며, 아래의 원래 흙은 대체로 온전한 상태를 유지했습니다.

기존 재료와 새로운 재료 사이의 접합부 또한 잘 버텨냈습니다. 연구자들은 두 부분이 서로 잘 붙어 있도록 전이 구역에 보강 메쉬를 배치했습니다. 테스트 후 검사 결과, 두 재료는 큰 규모의 분리 없이 잘 결합되어 있었습니다. 손상은 상단의 출력된 영역에 집중되었으며, 이는 이론적으로 귀중한 원래의 벽을 건드리지 않고도 향후 다시 수리될 수 있음을 의미합니다. 이러한 거동은 이 수리 방법이 단순히 구멍을 메우는 것을 넘어, 나머지 구조를 보호하기 위해 스스로 희생할 수 있는 구역을 만든다는 것을 시사합니다.

연구는 또한 작업의 실무적인 측면을 살펴보고, 사용된 재료의 양과 비용을 정확히 기록했습니다. 팀은 대략 작은 방의 벽면 크기 정도의 공간을 채우기 위해 200kg의 혼합물을 사용했습니다. 이 양에 들어간 원자재 비용은 약 180 위안이었으며, 이는 수리된 표면 1제곱미터당 약 360 위안입니다. 여기에는 로봇의 비용이나 운영 인건비는 포함되지 않았지만, 이 공정의 재료 효율성을 이해하기 위한 기준점을 제공합니다. 로봇은 필요한 곳에 정확히 재료를 배치하여 낭비를 최소로 줄였으며, 얼마나 많은 양이 어디에 사용되었는지에 대한 정확한 기록을 남겼습니다.

이 연구가 고대 건물의 모든 문제를 해결했다고 주장하는 것은 아닙니다. 테스트는 실제 날씨와 복잡한 손상에 직면한 수백 년 된 구조물이 아니라, 실험을 위해 특별히 제작된 벽을 대상으로 실험실에서 수행되었습니다. 또한 로봇은 실시간으로 벽을 스캔하여 모든 균열을 찾아내는 것이 아니라 미리 계획된 경로를 따랐으며, 새로운 재료의 비, 결빙 등에 대한 장기적인 내구성은 아직 충분히 테스트되지 않았습니다. 그러나 이 연구는 로봇 시스템이 제어 가능하고, 측정 가능하며, 구조적으로 안정적인 방식으로 람드 어스 벽을 수리하는 데 사용될 수 있음을 성공적으로 입증했습니다. 또한 새로운 재료가 기존의 흙과 결합할 수 있고, 수리된 부분이 무게를 견딜 수 있으며, 출력된 층이 원래의 벽을 보호하기 위한 희생적인 방패 역할을 할 수 있음을 보여주었습니다.

이 작업은 역사적인 흙 건물 유지보수가 더 정밀하고 덜 침습적인 미래를 제시합니다. 얼마나 많은 양을 채울지 또는 얼마나 단단하게 다질지를 판단하기 위해 오로지 한 명의 숙련된 장인에게만 의존하는 대신, 로봇이 디지털 계획을 따라 손상된 부분을 일관성 있게 재건할 수 있습니다. 이는 파손된 부분만을 고치고, 지구에 속한 재료를 사용하며, 작업 내용에 대한 명확한 기록을 남김으로써 저탄소 기반의 고대 구조물을 보존하는 방법을 제안합니다. 로봇은 보존 작업에서 인간의 판단력을 대체하는 것이 아니라, 과거를 수리하는 섬세한 작업을 조금 더 신뢰할 수 있고 위험을 줄일 수 있는 새로운 도구를 제공한 것입니다.