건설 자동화는 어디에서 성공했을까?

건설은 노동집약적인 분야로 유명하다. 미국에서 신규 단독주택을 짓는 비용 가운데 직접 노동은 거의 50%를 차지하는데, 자동차 제조 비용에서 차지하는 비중은 약 6~8%에 불과하다. 따라서 필요한 노동량과 주택 비용을 줄이기 위해 건설 과정을 자동화하려는 관심이 오랫동안 존재해 왔다는 것은 놀랄 일이 아니다. 내가 아는 가장 이른 건설 자동화 시도는 Isaac Hussey가 발명한 미장 기계로, 1853년까지 거슬러 올라가며, 그 이후로도 수많은 다른 시도가 있었다.

Scientific American 1853년 2월 5일자에 실린 Hussey의 미장 기계.

나는 시간이 흐르며 건설 자동화가 어떤 궤적을 그렸는지 더 잘 파악하고 싶었다. 언제 어떤 것들이 시도됐는가? 무엇이 성공했고, 무엇이 도태됐는가? 이를 위해 인공지능을 이용해 19세기까지 거슬러 올라가는 디지털화된 오래된 건설 전문지 수천 호를 훑으며, 건설 작업이 자동화된 모든 사례를 찾았다.

내가 얻은 핵심 결론은 성공적인 건설 자동화가 기본적으로 두 범주로 나뉜다는 것이다. 하나는 공장에서 현장 밖에서 수행할 수 있는 건설 관련 작업이다. 여기에는 철골 가공, 프리캐스트 콘크리트, 창문과 문 제조 등이 포함된다. 다른 범주는 현장에서 공장처럼 만들 수 있는 작업이다. 즉, 기계가 단순한 경로를 따라 이동하면서 반복 동작을 계속 수행할 수 있는 작업이다. 역사적으로 이 두 범주 밖의 거의 모든 것은 성공하지 못했다.

나는 USModernist에서 Architectural Forum 전 호 950권과 House & Home 전 호 370권을, archive.org에서 구할 수 있는 Engineering News-Record 전 호 4,300권 이상을 내려받는 것으로 시작했다. 이들은 건설 관행과 공법을 포함해 건설 산업의 다양한 측면을 다루는 전문지이며, 19세기 중반부터 1980년대 초반까지의 기간을 포괄한다. 그 후 Claude(Opus 5 Max)에게 이 호들을 검색하게 하여, 어떤 건설 작업이 자동화된 사례든 표시하게 했다. 이와 더불어 Claude에게 건설 자동화 사례를 더 일반적으로 웹에서 검색하게 했는데, 여기에는 국제 건설 자동화 및 로보틱스 협회(IAARC)의 자료실을 살펴보는 일 등이 포함됐다.

이 작업의 목적은 데이터 분석이 아니었다. 연도별 또는 범주별 사례 수 등을 세지 않았다. 이는 순전히 존재 여부 조사였으며, 어떤 종류의 것들이 시도됐고 전문지에 실릴 만큼 유망했는지를 보기 위한 것이었다.

이런 작업에서 늘 그렇듯, 결과는 프롬프트의 용어를 조작적으로 정의하기 위해 어떤 정의를 택하느냐에 따라 달라진다. 여기서 “자동화”란 “기계가 인간의 지시를 요구하지 않고 작업의 상당 부분을 수행하는 것”과 같은 의미다. 따라서 이는 기계가 어떤 작업에 필요한 노동을 줄이기 위해 쓰이지만 여전히 인간 조작자의 지속적인 지시나 직접 조작이 필요할 수 있는 “기계화” 또는 “산업화”와는 다르다. 따라서 전동 공구나 크레인 같은 것은 자동화에 해당하지 않는다. 두 경우 모두 작업이 진행되는 동안 기계의 개별 움직임과 동작 하나하나를 인간이 조율하기 때문이다. 반면 인간 조작자가 벽돌 하나하나를 지시하지 않아도 개별 벽돌을 자동으로 놓는 조적 기계는 자동화에 해당한다.

대부분의 정의와 마찬가지로, 이 정의도 경계에서는 흐릿해진다. 실제로 대부분의 자동화 시스템은 작동 중 어느 정도 인간의 감독을 필요로 하며, 그 감독이 “개별 움직임을 지시하는 것”에 해당하는지는 어느 정도 판단의 문제일 수 있다. 따라서 나는 사람이 기계를 계속 감시하는 경우에도 아스팔트를 자동으로 포설하는 도로 포장 기계를 “자동화”로 볼 것이다. 하지만 탑승식 콘크리트 마감 기계 같은 것은 훨씬 더 경계선에 가깝다. 그것은 초 단위로 훨씬 더 많은 인간의 지시를 필요로 하는 것으로 보이기 때문이다.

어떤 건설 작업을 실제 건설 현장 밖, 즉 공장이나 공장 같은 환경에서 수행할 수 있다면, 다른 모든 공장 작업처럼 적어도 부분적으로 자동화할 수 있을 가능성이 매우 높다.

초기 사례로 콘크리트 배치 플랜트를 들 수 있다. 19세기 대부분 동안 콘크리트는 작업자들이 삽으로 손수 섞었지만, 19세기 후반에는 기계로 콘크리트를 섞기 시작했고, 20세기 전반에는 자동 시멘트 계량, 자동 급수 등으로 점점 더 자동화됐다. 예를 들어 Hoover Dam에서는 콘크리트 배칭이 “완전히 자동화”되어 있었다.

철골 가공도 비슷하다. 철골 부재는 물론 공장에서 생산되는 제품이며 언제나 그랬고, 공장에서 원재료 철강 요소를 건축 부품으로 만들고 그러한 작업을 부분적으로 자동화하는 것은 큰 도약이 아니다. 철골 보에 구멍을 자동으로 뚫거나, 파이프 이음매를 자동으로 용접하거나, 철골 부재를 자동으로 도장하는 작업용 기계는 19세기 후반에 등장하기 시작했으며 오늘날에도 널리 쓰인다.

더 일반적으로 말하면 철강, 벽돌, 콘크리트 블록, 합판, 석고보드, 슁글 등 사실상 모든 건축자재는 공장에서 대량 생산되므로 생산 과정의 여러 부분이 자동화된다.

1950년대 합판 공장의 자동 트리밍, YouTube 제공.

앞서 언급했듯 콘크리트는 처음에는 현장에서 생산되는 자재였으나, 결국 생산이 현장 밖으로 옮겨졌다. 다른 건축 부품에서도 같은 궤적을 볼 수 있다. 예를 들어 창문과 문은 과거 현장에서 제작됐지만, 이제는 현장 밖 공장에서 생산되며 많은 조립 작업이 자동화되어 있다. 바닥과 지붕 트러스도 마찬가지로 처음에는 현장 생산 부품이었지만, 이제는 대부분 자동화 정도가 다양한 현장 밖 공장에서 만들어진다. 일반적인 트러스 공장은 여러 목재 부재의 절단과 트러스 플레이트의 압착을 자동화하며, 일부 트러스 공장은 더 높은 수준의 자동화를 갖추고 있다.

1950년대의 현장 트러스 제작, House & Home 제공.

2013년경 Randek의 자동 지붕 트러스 제조, YouTube 제공.

프리캐스트 콘크리트도 공장에서 생산되는 또 다른 건축 부품이다. 보, 벽체, 기둥과 같은 대형 콘크리트 요소를 현장 밖 공장에서 제조한 뒤 트럭으로 건설 현장에 운반하여 조립한다. 특히 미국에서 프리캐스트 제조에 반드시 많은 자동화가 적용되는 것은 아니지만, 고도로 자동화할 수 있다.

아일랜드의 자동화 프리캐스트 공장, YouTube 제공.

이것이야말로 역사적으로 조립식 건설에 그토록 큰 관심이 있었던 이유 중 하나다. 실제 건설 과정을 공장으로 옮기면, 그중 큰 부분을 자동화하여 노동과 비용을 절감할 수 있기 때문이다. 조립식 건설이 때로는 단지 창고 안에서 이뤄지는 전통적이고 노동집약적인 건설일 뿐이지만, 다른 경우에는 공정이 고도로 자동화된다. Levitt and Sons는 1970년대 Operation Breakthrough의 일환으로 고도로 자동화된 조립식 공장을 건설했으며, 오늘날 미국의 Autovol이나 독일의 Gropyus 같은 기업은 부분 자동화 공장을 운영한다.

1950년대 조립식 시설의 캐비닛 문 자동 도장, House & Home 제공.

2021년경 Autovol 공장의 자동 벽체 패널 조립, YouTube 제공.

성공적인 자동화의 다른 범주는 공장처럼 만들 수 있는 현장 작업이다. 기계가 단순한 경로를 따라 움직이면서 단순하고 반복적인 동작을 계속 수행하는 작업이다.

이 범주에 속하는 사례의 상당수는 콘크리트나 아스팔트와 관련된다. 콘크리트는 걸쭉하고 점성이 있는 유체이므로 이런 자동화에 적합하다. 특정 용기의 형태로 짜 넣을 수 있고, 용기를 제거한 뒤에도 그 형태를 유지할 수 있다. 따라서 전진하면서 콘크리트 층을 압출하는 자동 콘크리트 슬립폼 기계 같은 것이 있다. 수평으로 배치하면 연석, 배수로, 보도 등을 만들 수 있다. 수직으로 배치하면 수직 콘크리트 구조물을 만들 수 있다. 다만 수직 작업은 다소 덜 자동화되어 있다고 생각한다.

1950년대 연석 성형 기계, House & Home 제공.

현대식 연석 성형 기계, Gomaco 제공.

보도 포설 기계, Gomaco 제공.

금속에서도 이런 종류의 “자동 압출 기계”를 볼 수 있다. 홈통 제작 기계는 기본적으로 휴대용 롤포밍 기계다. 코일 형태의 판금을 받아 홈통으로 성형한다. 금속 지붕 데크와 금속 사이딩용 유사한 휴대용 기계도 존재한다.

1950년대의 휴대용 홈통 기계, House & Home 제공.

현대식 휴대용 금속 사이딩 기계, Stan Group 제공.

이런 종류의 자동화는 수평으로 연속되는 인프라 건설에서도 성공적으로 사용된다. 예를 들어 도로는 포장 열차라고 하는 일련의 특수 기계로 포장된다. 기계들은 함께 순차적으로 작업하며, 기존 도로 표면을 뜯어내고 거칠게 만든 다음 새 아스팔트 층을 포설한다.

현대식 아스팔트 포장 기계, YouTube 제공.

철도 건설의 일부도 비슷하게 일련의 자동화 기계로 수행할 수 있다. 특히 낡은 침목 교체나 자갈도상 다짐 같은 유지보수 작업은 고도로 자동화된 것으로 보인다. 레일이 이미 놓여 있으므로, 이 기계들은 레일에 탑재되어 선로를 따라 이동하며 다양한 전문 작업을 수행할 수 있다.

기존 철도 침목을 제거하는 레일 탑재 자동 기계, YouTube 제공.

자동화 자갈도상 다짐 기계, Wikipedia 제공.

터널 굴착도 비슷하다. 역사적으로 터널은 손으로 굴착했지만, 20세기 전환기 무렵부터 자주식 굴착기로 터널을 뚫기 시작했다.

1825년경 Marc Brunel의 수동 터널 굴착 시스템.

내가 파악할 수 있는 한, 2000년대 초반까지, 심지어 2010년대에 들어서도 두 범주, 즉 현장 밖 공장에서 수행할 수 있는 작업과 현장에서 공장 같은 방식으로 수행할 수 있는 작업에 속하지 않는 거의 모든 것은 성공하지 못했다.

자동 벽돌 쌓기 기계는 여기에서 실패한 자동화의 전형적인 사례다. 이전 글에서 언급했듯이, 이러한 기계는 20세기 초반부터 계속해서 시도됐으나 역사적으로 어느 것도 성공하지 못했다.

1965년경 자동 블록 쌓기 기계, House & Home 제공.

벽돌이나 콘크리트 블록을 자동으로 놓는 일은 자동화하기에 완벽한 건설 작업처럼 보인다. 육체적으로 힘들고 극도로 반복적이기 때문이다. 그러나 실제로 이 작업은 기계가 쉽게 수행할 수 있도록 만들 만큼 단순하고 반복적이지는 않다. 모르타르 층을 펴고 그 위에 벽돌을 놓으면서, 개별 벽돌과 벽체 전체가 모두 곧고 수평을 유지하도록 하는 일은 균일하고 반복적인 기계 동작으로 하기가 어렵다. 실제로 벽돌은 종종 약간 비뚤어 놓이며, 벽체가 수평으로 쌓이고 있는지 확인하려면 벽돌마다 작고 개별적인 조정이 필요하다. 매끄럽고 보기 좋은 모르타르 줄눈을 만드는 일도 기계가 쉽게 할 수 있는 일이 아니다. Construction Robotics가 제조한 반자동 조적공 SAM은 조적공이 로봇 뒤를 따라가며 줄눈을 마감하고, 가끔 비뚤어 놓인 벽돌의 수평을 맞춰야 했다. Fastbrick Robotics의 Hadrian 블록 쌓기 로봇은 모르타르 층을 펼칠 필요가 없는 맞춤형 접착제를 사용하여 이런 문제를 완전히 피했다.

벽돌 벽체는 또한 균일하게 놓인 벽돌이 길고 끊기지 않게 이어진 구간으로 드물게 구성된다는 점에서 충분히 반복적이지 않은 경우가 많다. 벽체는 흔히 짧고, 창문과 문 개구부, 줄눈, 모서리와 꺾임, 그리고 균일성에서 벗어나는 여러 다른 요소를 가진다. 순전히 반복 동작을 수행하는 단순한 기계나 더 높은 유연성을 가진 로봇조차 이런 편차를 쉽게 처리할 수 없으며, 역사적으로 벽돌 쌓기 기계는 이런 상황을 만날 때마다 사람이 수동으로 재조정해야 했다. SAM 벽돌 쌓기 로봇은 아주 길고 균일한 벽체 구간에서만 제대로 작동했다. 모서리를 돌 수도, 심지어 벽 끝에 벽돌을 놓을 수도 없었기 때문에, 새 벽체마다 새로 설치해야 했고 이는 시간과 노력이 들었다.

이런 종류의 어려움은 건설 자동화에서 매우 흔하다. 자동화할 수 있는 반복 작업이 있는 경우가 많지만, 기계를 설치해 이를 수행할 가치가 있을 만큼 충분히 반복적이지는 않다. 몇 분마다 사람이 기계를 수동으로 재설정하고 새 구역으로 옮겨야 한다면, 단순히 사람이 작업을 하는 것보다 더 쉽지 않은 경우가 많다. 예를 들어 건설업자들은 1930년대부터 현장에서 자동 용접 기계를 시도했지만, 오늘날 이런 기계가 많이 사용되는 모습을 보기는 어렵다. 건물에는 그런 기계가 쓸모 있을 만큼 길고 끊기지 않는 연속 용접 구간이 드물기 때문이다.

1930년경 자동 바닥 용접 기계, Architectural Forum 제공.

마찬가지로 철근 두 개를 묶기 위해 가는 철사를 철근 둘레에 감는 철근 결속은 자동화할 만큼 단순하지만, 역사적으로 이를 위한 전용 기계를 현장에 투입할 만큼 충분히 반복적이지는 않았다. 내 경험상, 작업자에게 이 일을 할 수 있는 전동 공구를 주기에도 충분히 반복적이지 않은 경우가 많다. 오늘날에도 계산은 상당히 불리해 보인다. Advanced Construction Robotics는 2020년부터 TyBOT을 제공하기 시작했지만, 철근을 결속할 면적이 매우 넓은 콘크리트 교량 바닥판에서 시연되는 모습만 볼 수 있다. 이 회사에는 철근 배치 로봇 IronBOT도 있지만, 이것 역시 의미가 있으려면 넓은 철근 면적이 필요할 뿐 아니라, 웹사이트에도 “[설치에는 IronBOT의 크기와 기능으로 인해 계획 및 조정이 필요합니다]”라고 적혀 있다. 게다가 실제 자동화 수준도 상당히 얕아서, 사람이 계속 개별 철근을 공급해야 한다.

충분한 반복의 부재와 건설 현장을 “공장처럼” 만들기 어려운 점이 결합되어, 20세기 말 일본의 건설 로봇 개발 추진은 실패로 끝났다. 1970년대 후반부터 일본은 기둥 용접 로봇, 내화 피복 설치 로봇, 벽체 도장 로봇 등 온갖 종류의 건설 로봇을 개발하려는 대규모 노력을 벌였다. 1990년대까지 100가지가 넘는 서로 다른 유형의 건설 로봇이 개발됐다. 이전 글에서 언급했듯, 이 시스템들은 종종 작동하기는 했지만 대체로 특별히 생산적이지는 않았다.

로봇은 흔히 작업을 매우 효율적으로 수행할 수 있었지만, 설치와 철거에 많은 시간이 필요했고, 로봇을 수용하도록 특별히 설계되지 않은 건물에서는 종종 어려움에 부딪혔다. 예를 들어 로봇이 닿을 수 없는 좁은 공간 같은 경우다. 또한 전통적인 건설 현장이 다소 예측 불가능하다는 특성을 처리하는 데도 어려움을 겪었다. 중단 없이 작업해야 한다는 필요성과 작업자가 얼마나 가까이 접근할 수 있는지에 대한 안전 제한이 결합되어, 나머지 건설 공정을 제약하는 경향이 있었다. 그리고 작업을 더 빨리 끝낼 수 있는 경우에도 병목은 흔히 공정의 다른 부분으로 옮겨갈 뿐이었다…

이 문제를 극복하기 위해 일본의 최대 건설사들은 현장을 가능한 한 공장처럼 만들려 했다. 이들은 온갖 건설 로봇의 도움을 받아 층별로 초고층 건물을 지을 거대한 상승식 플랫폼, 즉 거대한 “초고층 건물 공장”을 만들었다. 그러나 이것도 문제를 해결하지 못했다.

공장 설치에 긴 시간이 걸렸기 때문에 소규모 건물에는 실용적이지 않았으며, 충분히 큰 건물에서도 로봇 조립을 위해 건물을 설계하려면 광범위한 선행 설계와 조정이 필요했다. 어떤 면에서 단일 작업 건설 로봇에서 완전 자동화 건설 현장으로의 전환은 어려움이 발생하는 위치만 옮겼다. 각 개별 작업마다 긴 설치와 철거 시간이 드는 대신, 이제는 프로젝트 첫 부분 전체에 걸쳐 한 번의 엄청나게 크고 비용이 많이 드는 설치 작업이 필요하게 됐다.

역사적으로 건설 자동화는 특정 유형의 작업에서 성공했다. 현장 밖의 공장으로 옮길 수 있는 작업, 또는 현장에서 공장과 같은 방식으로 수행할 수 있을 만큼 단순하고 반복적인 작업이다. 이 영역 밖의 자동화는 대체로 성공하지 못했다. 흔히 작업이 충분히 단순하고 반복적이지 않기 때문이다. 기계를 만들어 그 작업을 수행할 수는 있지만, 기계를 설치해 작업하게 만들고 이를 수용하도록 현장을 정비하는 데 드는 시간과 노력이 자동화로 얻는 이점을 없애 버린다.

하지만 나는 이것이 바뀌기 직전이라고 생각한다.

우리가 관찰한 이 역사적 패턴은 상당 부분 기술적 한계다. 역사 대부분의 기간에 기계는 기껏해야 매우 좁은 정보 처리 능력만 가졌다. 환경에 대해 감지할 수 있는 범위와 그 정보에 따라 행동을 수정할 수 있는 정도가 제한되어 있었다. 흔히 상황과 무관하게 똑같은 동작을 계속 반복했을 뿐이다. 환경 피드백에 따라 행동을 수정할 수 있었을 때도 그 방식은 매우 제한적이었다. 견고한 정보 처리 능력이 없으면 자동화는 공장 안에서 수행되는 작업, 즉 작업을 여러 작은 작업으로 분해하고 각 작업을 특정 기계가 수행하게 할 수 있는 경우나, 본래 공장 같은 공정으로 제한된다.

용접 자동화의 역사는 이를 보여주는 사례다. 최초의 용접 기계는 고정 자동화였다. 파이프 이음매 용접처럼 특정 용접 동작을 계속 반복했다. 1960년대부터는 로봇으로 용접하기 시작했다. 이제 새로운 기계를 만들 필요 없이 로봇을 재프로그래밍하여 다른 행동 순서를 입력할 수 있었다. 그러나 그 순서는 여전히 인간 프로그래머가 결정해야 했다.

그 뒤 수십 년에 걸쳐 로봇 용접은 점차 정보 처리 능력을 축적했다. 1980년대에는 용접 로봇이 용접부에 대한 자신의 위치를 판단하고 그에 맞춰 행동을 수정하는 제한된 능력을 갖췄다. 하지만 이 능력의 범위는 매우 좁았다. 용접 로봇은 용접부를 통한 전기 전도도를 측정해 위치를 판단하는 일 등은 할 수 있었지만, 그보다 복잡한 일은 할 수 없었다.

로봇은 로봇의 경로를 방해하는 클램프, 제대로 용접하기에는 너무 더러운 부품, 수평이 아니라 수직으로 놓인 부품, 또는 수동 용접공이라면 자동으로 조정할 수 있는 그 밖의 수천 가지 상황을 보정할 수 없었다.

따라서 자동화된 로봇 용접조차 설치에 드는 시간과 노력을 정당화하려면 상당히 반복적인 작업 집합이 필요했다.

그러나 이 기술적 한계는 변하고 있으며, 우리는 훨씬 더 견고한 정보 처리 능력을 가진 기계를 얻고 있다. 현대 자동화는 점점 더, 일련의 지시를 받은 뒤 목표를 달성하기 위해 어떤 행동을 단계별로 취해야 하는지 스스로 알아낼 수 있게 되고 있다. 이는 상당 부분 현대 인공지능 기술 덕분이다. 어떤 인공지능 모델에 막대한 양의 훈련 데이터를 제공하면, 이전에 관찰한 적 없는 다양한 상황에 효과적으로 반응하는 시스템을 얻을 수 있다. 한 번도 관찰하지 못한 경로와 교통 패턴을 주행하는 자율주행차나, 한 번도 본 적 없는 질문에 답하는 거대 언어 모델 등이 그렇다.

이렇게 바뀌는 제약은 새롭게 등장하는 건설 자동화 스타트업들에서도 드러난다. 현대 인공지능 기술을 활용해 주목받고 대규모 자금을 조달하는 새로운 건설 자동화 스타트업들이 나타나고 있다. 건설 로봇 스타트업에 대한 벤처 자금의 대략 절반은 2022년 이후 설립된 기업들에 투자됐고, 건설 로보틱스의 다른 대부분의 대규모 자금 조달도 2020년 이후에 이뤄졌다. 이는 Figure와 같은 더 범용적이고 건설 특화가 아닌 로봇에 투입된 막대한 자금은 포함하지 않는다. 이전에는 자동화에 저항적이었던 건설 작업을 자동화하는 일이 점점 더 가능해지고 있으며, 나는 이 추세가 계속될 것으로 본다.

이것이 정확히 어떤 형태를 띨지는 분명하지 않다. 광범위한 작업을 할 수 있는 Optimus 로봇 군단이 건설 현장에 등장할까, 아니면 Dusty와 Canvas, Rufus 같은 특수 목적 로봇들이 여럿 등장할까? 어떻게 발전하든, 건설 자동화의 미래는 과거와 같지 않을 것이라고 생각한다.