미래기술/미래전망/첨단산업

Nikkei Monozukuri_2020.2. 특집 요약 (p43~76)

신 기술도 경쟁하는 도쿄올림픽∙패럴림픽
스포츠테크, 2020년 8월~9월 개최에서 연기

2020년 8월~9월에 개최에서 연기된 도쿄올림픽∙패럴림픽. 그 주역은 세계 각국으로부터 참가해 서로의 기량을 겨루는 선수들이지만, 그 결전의 장을 한층 더 즐길 수 있게 하기 위한 다양한 기술도 활약하고 있다. 선수들이 몸에 착용하는 도구뿐만 아니라, 성화 릴레이의 토치 및 대표선수의 트레이닝 기기, 경기장의 설비와 운영을 서포트 하는 로봇 등, 올림픽∙패럴림픽에서는 신기술로도 겨루게 된다.

개요
개막 전부터 시작되는 기술의 도전 -- 선수와 관객의 상태를 최고조로 끌어올린다

올림픽∙패럴림픽을 위해 개발된 기술이 그 기량을 펼치는 순간은 대회 기간뿐만이 아니다. 선수나 팀을 강화하는 트레이닝이나 성화 릴레이와 같은 이벤트 등 대회 개막 전부터 활약하는 기술도 많다. 대회가 시작된 후에도 선수가 경기에 사용하는 도구를 포함해, 경기의 진행 및 관전과 같은 운영 면에서 대회를 지원하는 설비 및 시스템에서의 기술 혁신이 추진되고 있다.

최근, ‘스포츠테크’라는 단어가 자주 사용되고 있다. 스포츠와 다양한 기술의 융합으로 스포츠를 진화시켜 새로운 서비스와 제품, 시장을 창출하는 것을 말한다. 인공지능(AI) 및 빅데이터, IoT, 5G(제5세대 이동통신 시스템)와 같은 ICT와 스포츠테크와의 결합 사례를 접해본 사람들도 많을 것이다. 물론 ICT뿐만 아니라, 하드웨어 기술도 스포츠테크에서는 필요 불가결하다. 이번 특집에서는 이러한 기술을 중심으로 살펴보았다.

Part 1. 개막 전부터 활약하는 기술

■ Preparation
도쿄올림픽∙패럴림픽이 개막되기 이전에 다양한 신기술이 개발되어 대회를 위해 활약하고 있다. 그 중 하나가 2020년 3월부터 일본에서 시작된 성화 릴레이의 토치이다. 벚꽃을 모티브로 한 성화 릴레이의 토치는 일본의 뛰어난 제조 기술이 있었기에 실현될 수 있었던 작품이다. 올림픽용으로 1만개, 패럴림픽용으로 1,000개의 성화 릴레이 토치가 제조되었다.

디자이너가 요구하는 복잡한 형태를 실현하기 위해 신간선(新幹線)의 차체 제조로 축적된 알루미늄 합금의 압출성형 기술이 사용되었다. 올림픽용과 패럴림픽용에서 서로 다른 미묘한 색조를 알루마이트 처리로 실현. 또한 바람과 비, 기온 등에 관한 엄격한 조건, 예를 들어 풍속 17m/초에서도 성화가 꺼지지 않을 뿐만 아니라, 불꽃의 색이나 크기를 배려한 연소 버너의 기술 또한 주목할만하다. 디자인성을 살리기 위해 소형화에도 공을 들인 것을 알 수 있다.

대회 개막 전에 기술의 활약을 엿볼 수 있는 것에는 올림픽과 패럴림픽에서 최고의 성적을 거두기 위해 실시하는 트레이닝이 있다. 한정된 시간 안에 선수 개인의 퍼포먼스 및 팀의 연대 등을 효율적으로 향상시키기 위한 것이다.

예를 들어 배구의 일본대표팀이 연습에서 사용하고 있는 ‘블록(Block) 머신’은 남자 브라질 팀 수준의 높이 3.2m의 블록을 3번, 위치 및 높이, 팔의 방향 등을 임기응변으로 바꾸면서 재현할 수 있다. 기존에는 체감할 수 없었던 연습을 여러 번 반복해서 할 수 있다.

또한 펜싱에서는 선수의 움직임과 생각을 분석해 움직임 해석 시스템의 개발이 추진되고 있다. 3D 계측 기술과 기능 전승을 통해 축적된 인공지능(AI)을 결합시킨 것이다.

▶ 성화 릴레이 (토치) – 요시오카도쿠진(吉岡徳仁)디자인사무소∙UACJ 압출가공∙신후지(新富士)버너 외
비바람을 견디며 아름답게 타오르는 불꽃

도쿄올림픽∙패럴림픽 경기대회조직위원회가 요청한 성화는 비바람 속에서도 꺼지지 않고 오랫동안 선명하게 타오르는 새빨간 불꽃이었다. 예를 들어 고온의 푸른 불꽃은 비바람에는 강하나, 성화로서는 적합하지 않다. 새롭게 개발한 성화 릴레이용 토치는 토치 자체의 아름다움과 함께, 일본기업이 가진 높은 기술력을 결집시켜 불꽃의 모양과 성화의 내구성을 양립시켰다.

-- 비바람에도 꺼지지 않고 계속해서 타오른다 --
-- 토치의 케이스는 알루미늄 합금으로 만든 압출 소재 --
-- 2계통의 기구로 연소 --
-- 레귤레이터를 통해 가스를 2가지로 분리 --
-- 토치 아랫부분은 뜨거워지지 않는다 --
-- 볼트를 사용하지 않고 연소 유닛을 고정 --

▶ 배구 (블록 머신) – 일본배구협회
세계 최고의 블록을 체감한다

높은 신장을 자랑하는 브라질 및 미국과 같은 세계 최고 레벨에 대응하는 능력을 키워 어택 결정률을 높이고 싶다는 요망에 부응하기 위해 개발한 것이 배구의 일본대표팀이 연습에서 사용하고 있는 로봇 ‘블록 머신’이다.

대각선 위로 뻗은 2개의 팔을 가진 3대의 주행 유닛이 네트 앞을 빠른 속도로 좌우로 이동. 팔을 위로 뻗어 블록 태세를 취한다. 넓이 9m 코트의 어디에, 어떤 타이밍으로, 어떤 높이로 블로킹을 하는 지는 자유자재. 세계 최고 레벨인 남자 브라질 팀 수준의 높이 3.2m의 블록도 재현 가능하다.

-- 반복 연습으로 어택률 향상 --
-- 3대를 협동 제어해 3 블록 재현 --
-- Windows 태블릿으로 조작 --
-- 발단은 버라이어티 방송 프로그램 --

▶ 펜싱 (움직임 해석 시스템) – LIGHTz
보이지 않는 움직임과 사고(思考)를 가시화한다

2019년 12월 14일, 도쿄 시부야(渋谷) 빌딩에 데이터 사이언티스트들이 속속 모여들었다. 도쿄올림픽 남자 에페에 출전하는 일본대표팀을 지원하는 이벤트에 참가하기 위해서이다. 이 이벤트는 인공지능(AI)을 개발하고 있는 LIGHTz(이바라기 현)가 일본 펜싱협회강화본부와 공동으로 개최했다. 목적은 남자 에페 일본대표팀의 금메달 획득을 위한 지원 체제의 강화에 있다.

-- Kinect 4대로 3D 모델화 --
현재 LIGHTz는 니콘과 공동으로 피스트(펜싱 경기를 하는 무대)에서의 선수 움직임을 정량적으로 가시화 및 분석하는 ‘움직임 해석 시스템’의 개발을 추진하고 있다. 해당 시스템에서는 카메라로 촬영한 선수의 움직임을 3D로 모델화하여 선수의 피스트 상의 위치 및 타이밍, 운동량 등을 산출. 일단은 미리 등록해 놓은 우수한 경기 패턴의 데이터와의 유사도를 판정해 선수의 움직임이 좋고 나쁨을 판단하는 기능 실현을 목표로 하고 있다.

-- 최고 선수의 사고(思考)를 재현 --

Part 2. 선수가 경기에서 사용하는 용구

■ Equipment
대회가 개막되고 나면 드디어 경기가 시작된다. 선수가 경기에서 몸에 착용하거나 사용하는 용구에서의 개발 경쟁도 치열하다. 용구의 기술 개발과 기록/승패는 밀접한 관계를 갖고 있다. 2020년에 들어서도 밑창이 두꺼운 마라톤용 러닝화로 물의를 빚었으나, 규칙의 범위 안에서 선수의 기량을 극대화하기 위한 기술은 진화하고 있다.

예를 들어 아식스가 개발한 단거리용 러닝화는 기존 상식이었던 스파이크 핀을 사용하지 않는 타입이다. 스파이크 핀 대신에 러닝화의 밑창에 벌집모양의 요철을 만들었다. 탄소섬유강화수지(CFRP)로 형성된 이 벌집모양은 선수의 주행 방식을 해석한 다음, 그 형태와 배치를 최적화시키고 있다.

패럴림픽에서는 다양한 장애의 종류 및 정도에 따라 경기를 실현하기 위한 용구가 등장한다. 그 대표적인 것이 의족이다. 국가대표를 위한 경기용 의족을 개발하는 사이보그(Xiborg, 도쿄)는 이전의 리우데자네이루 패럴림픽에 이어 이번에도 그 업그레이드 버전을 개발했다.

또한 휠체어도 복수의 경기에서 등장하는 용구이다. 육상경기를 비롯해 테니스 및 농구, 럭비 등의 구기 종목 등에서도 각기 최적화된 휠체어가 개발되고 있다. 그 중에서는 특정 기술에 뛰어난 중소기업이 활약하고 있는 사례도 적지 않다. 도쿄 오타(大田) 구는 경기용 휠체어의 개발 프로젝트를 시작해 같은 구의 제조기업 10개사 이상이 용구 개발에 도전하고 있다.

경기 실시에 필요한 것은 아니지만, 선수의 건강 및 안전을 배려한 용구 개발도 추진되고 있다. 특히 개최 시기가 여름이기 때문에 폭염 대책에 관련된 기술 개발이 활발하다. 예를 들어 샤프와 데상트 등 마라톤 및 경보 등을 염두에 놓은 냉매제를 사용한 폭염 대책 글로브를 개발했다. 융점이 12℃의 냉매제를 개발해 손바닥을 차갑게 함으로써 체내 온도(심부 체온)를 효율적으로 낮춘다.

▶ 단거리 주행 (러닝화) – 아식스
육상 슈즈는 ‘스파이크 핀이 없는’ 시대로

육상경기의 스파이크화는 도쿄올림픽을 계기로 그 모습이 바뀔지도 모른다. 현재는 신발 밑창에 급속 핀을 붙인 제품이 주류였으나, 그 핀을 없앤 러닝화가 등장한 것이다. 개발을 추진한 것은 아식스. 밑창 소재에 CFRP(탄소섬유강화 플라스틱)을 사용. 밑창을 모양과 높이가 다른 육각형의 벌집 구조로 설계했다.

-- ‘지면과 인간과의 인터페이스’ --
-- ‘박히는 느낌’을 없애다 --
-- CFRP의 프레스 성형에 도전 --
-- 소재 자체로 평가 --

▶ 패럴림픽 육상 (경기용 의족) – '사이보그'(Xiborg)
판 스프링을 S자형에서 V자형으로

사이보그 사가 2014년에 개발한 최고선수를 위한 경기용 의족 ‘Xiborg Genesis’는 2016년 9월의 리우데자네이루 패럴림픽 400m 릴레이에서 동메달을 획득한 사토(佐藤) 선수가 사용한 것으로 알려져 있다.

2018년 8월말에 수주 생산을 개시한 ‘Xiborg ν(뉴)’는 도쿄올림픽을 겨냥해 개발한 Xiborg Genesis의 후속 모델. 사이보그 사에 소속된 4명의 국가대표 선수의 달리기를 해석해 그 결과를 기반으로 개발한 경기용 의족이다.

-- 뒤틀림을 억제해 중심을 위로 올린다 --
-- 앞쪽의 미세한 형태도 바꾼다 --

▶ 휠체어 테니스 / 농구 (경기용 휠체어) – The MOT Company / 카세다 / 에스
선수에게 인정받는 중소 기업의 기술력

중소 제조기업의 집적지로 알려져 있는 도쿄 오타 구. 이곳에서는 지금 패럴림픽에서 사용되는 경기용 휠체어의 2가지 개발 프로젝트가 추진되고 있다. 구체적으로는 휠체어 테니스와 휠체어 농구에서 선수가 사용하는 휠체어이다. 모두 휠체어 제조사인 마쓰나가(松永)제작소와의 공동 프로젝트로, 구성 부품의 일부를 오타 구의 중소기업이 개발하는 형태이다.

-- 재료를 바꾸지 않고 형태를 바꾼다 --
레이싱카에 사용되는 탄소섬유강화수지(CFRP)의 성형기술을 보유하고 있는 The MOT Company(도쿄)는 휠체어 테니스용의 경기용 휠체어의 프레임을 개발하고 있다. 알루미늄 합금을 CFRP로 대체해 더욱 경량화가 가능할 것이라고 생각했다. 그러나 테니스 볼을 치기 위해 코트 위를 이동하면서 라켓을 휘두를 때 체중 이동에 의해 휘어지는 반발력이 중요한 역할을 한다는 것을 깨닫게 되었다.

2018년 가을에 다시 설계한 CFRP제 프레임이 완성. 일체 성형을 하고 있어 휘어짐과 반발력의 방향, 크기를 판의 두께 등으로 강성(剛性)을 조정해 최적화할 수 있다.

한편, 당초의 목적과는 달리 최종적으로 무게는 알루미늄 합금으로 만든 휠체어와 차이가 나지 않는 수치로 일단락되었다. 확실히 가벼운 편이 이동의 가속도에는 유리하지만, 타구의 강도를 내기 위해서는 휠체어에 어느 정도의 무게가 필요하다는 것을 알게 되었다.

또한 CFRP제 프레임의 성형에서는 오토클레이브를 사용하는 건식 성형을 사용하고 있다. 거푸집을 사용해 프리프레그(Prepreg)를 소정의 형태로 적층해 복수의 부품을 일체화한 뒤에 오토클레이브로 성형한다. 수분이 잘 빠져나가므로 가볍고 얇게 된다. 건식 성형이 가능한 기업은 전국에 30사 정도이다.

-- 오타(大田) 구의 10개사가 프로젝트에 참가 --

▶ 마라톤 / 경보 등 (냉각 글로브) – 샤프 / 데상트 / 윈게이트
손바닥을 차갑게 식혀 심부 체온을 억제

‘폭염 대책’은 한여름에 야외에서 실시되는 경기에 참여하는 선수들에게 중요한 과제이다. 개최 시기가 7월~8월인 도쿄올림픽에서는 국제올림픽위원회(IOC)가 폭염을 우려해 마라톤과 경보를 당초 예정되었던 도쿄에서 삿포로(札幌) 시로 변경한다고 결정했다.

무더위 속에서 달리는 마라톤 선수 등의 체온 상승을 억제시켜 열사병 등의 발병을 방지하기 위해 개발된 것이 ‘TEKION 폭염 대책 글로브(가칭)’이다. 샤프와 스포츠용품 제조사인 데상트, 선수 트레이닝 지도 등을 하고 있는 윈게이트(도쿄)가 공동으로 개발했다. 야외에서 장시간 경기하는 마라톤 선수 등이 폭염 대책으로 이용하는 것을 상정하고 있다. 2020년 7월에 발매될 예정이다.

-- 손바닥을 차갑게 만들어 열사병 등을 방지 --
-- 심부 체온을 낮추는 Ice Slurry --

Part 3. 대회를 서포트 하는 설비 및 시스템

■ Facility
대회 기간 중에 경기를 원만하게 운영하거나 관객의 안전을 확보하는 등을 목적으로 개발된 기술도 있다. 특히 경기의 운영 면에서는 이번 도쿄올림픽∙패럴림픽에서 많은 로봇이 활약이 기대되고 있다.

예를 들어 도요타자동차가 개발한 자립형 로봇은 육상경기의 투척 종목의 운영을 지원한다. 해머와 원반, 창과 같은 투척물을 회수할 때, 그 중량물의 운반을 담당한다. 선수에 따라서 각기 다른 위치에 낙하하는 투척물의 회수 장소로 이동할 때에는 스태프의 뒤를 쫓아가며, 그곳에서부터 선수가 있는 투척 위치까지의 이동은 로봇이 단독으로 자율주행 한다. 스태프의 작업 부담 경감과 경기 시간의 단축에 기여할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

이번 도쿄올림픽∙패럴림픽 개최를 위해 새로운 국립경기장을 비롯한 여러 개의 새로운 시설이 설치되었다. 그 중 하나가 일본 최초의 인공 코스인 카누 슬라럼의 경기장이다. 하천의 급류를 인공적으로 만들기 위해 코스의 최저부에서 마지막 부분까지의 5m 고저차(高低差)를 초당 12톤 속도로 물을 퍼 올리는 펌프가 설치되었다. 이처럼 급류 환경이 필요한 경기를 연안지역에서 관전할 수 있게 한 것이다.

▶ 투척 종목 (자율주행 로봇) – 도요타자동차
투척물 회수를 로봇으로 지원

도쿄올림픽∙패럴림픽에서는 관람자 및 대회 운영 스태프 등을 지원하는 다양한 로봇이 활용된다. 그 중 하나가 도요타자동차가 개발한 자율주행 로봇 ‘FSR(Field Support Robot)’이다.

-- 중량물을 회수하는 스태프의 노력 경감 --
FSR은 육상 경기의 투척 종목에서 해머, 창, 원반 등의 투척물을 회수∙운반하는 작업을 서포트 한다. FSR은 공장 안에서 사용하는 AGV(무인반송차)용으로 개발한 기술을 응용하고 있다.

FSR개발의 목적은 육상 필드 경기를 서포트 하는 운영 스태프의 수고를 줄이기 위함이다. 구체적인 프로세스는 다음과 같다. 운영 스태프와 FSR은 필드 상의 대기 위치에서 경기를 지켜본다. 투척물이 낙하하면 스태프는 그곳까지 종종걸음으로 다가간다. 그 때 FSR은 자율주행으로 그 뒤를 쫓아간다. 투척물의 낙하 지점에서는 스태프가 투척물을 들어 올려 FSR에 싣는다. 그러면 이번에는 FSR이 단독으로 투척 위치 부근까지 자율주행으로 이동한다. 투척 위치에서는 다른 스태프가 FSR에서 투척물을 회수. 그 후에 FSR은 대기 위치로 되돌아간다.

-- LIDAR로 지도를 작성, 카메라로 인식한다 --
-- 공장용으로 개발한 AI를 전용(轉用) --

▶ 카누 슬라럼 경기장 (펌프) – 쓰루미(鶴見)제작소
격류를 만들어내는 거대 펌프

‘카누 슬라럼 센터’(도쿄)는 일본 최초의 카누경기 인공 코스이다. 가사이(葛西)임해공원과 근접해 있는 토지에 콘크리트를 사용해 강의 형태로 건설했다. 인공적으로 마치 시냇물과 같은 담수의 흐름을 만들어냈다. 경기장 안에서는 이 물을 순환시키기 위해 경기 코스에서 흘러내린 물을 다시 상류로 퍼 올릴 필요가 있었다. 또한 그 흐름은 자연에 가까운 것이어야 했다.

여기서 활약하는 것이 쓰루미제작소가 개발 및 제작한 2종류의 펌프이다. 사람 키의 2배 이상의 높이인 ‘양수 펌프’와 그보다 작은 ‘기류 펌프’가 그것이다.

-- 초당 12톤의 물을 퍼 올린다 --
-- 샘솟는 물줄기를 만든다 --

 -- 끝 --

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