잠자리처럼 날갯짓 하며 자율비행하는 드론 구현한다

날갯짓 드론은 잠자리, 나방 등과 같은 자연계의 비행 곤충처럼 비행한다. 게티이미지뱅크 제공

날갯짓을 하는 '날갯짓 드론'이 스스로 바람을 감지하고 목표 위치까지 자율적으로 비행할 수 있도록 하는 기술이 개발됐다. 스파이로봇,  탐험 및 재난구조 로봇 등에 활용이 기대된다.

한국연구재단은 강대식·한승용·고제성 아주대 기계공학과 교수 공동 연구팀이 날갯짓을 하는 드론의 날개 변형 데이터를 측정하고 강화 학습을 통해 ‘감각 비행’ 제어 기술을 개발했다고 20일 밝혔다. 

감각 비행이란 새나 곤충이 비행할 때 날개와 몸에 느껴지는 바람의 압력과 공기의 흐름을 감지해 방향과 속도를 조절하는 비행을 뜻한다. 비행체가 카메라나 위성위치확인시스템(GPS) 같은 복잡하고 무거운 센서를 사용하지 않고도 주위 환경의 변화를 인지할 수 있어 기동성을 향상시키고 에너지 효율을 늘리는 장점이 있다.

날갯짓 드론은 잠자리, 나방 등과 같은 자연계의 비행 곤충처럼 비행한다. 날개를 움직여 불안정한 공기 흐름에도 호버링, 회전 같은 우수한 비행 능력을 발휘할 수 있다. 

날갯짓 드론은 프로펠러 방식의 보편적인 회전 운동을 기반으로 하는 드론보다 구조체가 유연하고 부드럽다. 충돌에 강하고 소음저감 효과도 우수해 효율적인 초경량 드론 모델로 주목받고 있다. 문제는 회전 운동 기반인 보편적인 드론의 제어 기술을 날갯짓 드론이 사용하고 있기 때문에 바람을 타고 비행하는 장거리 비행이 불가능하다는 점이었다. 

연구팀은 날갯짓 드론의 독자적인 비행 제어 기술 개발에 나섰다. 우선 비행 곤충의 비행 방식을 분석했다. 비행 곤충은 날개에 위치한 종 모양의 감각 기관인 ‘컴패니폼 센실라’를 통해 바람에 의한 날개의 변형 정도를 감지했다. 곤충은 날개의 변형 정도에 따라 신속하게 비행을 제어했다. 연구팀은 이처럼 곤충이 비행을 제어하는 방식에 착안해 문제 해결에 나섰다.
  
연구팀은 컴패니폼 센실라를 모사한 초경량 고민감도 균열센서를 개발해 비행 제어 기술을 만들었다. 센서를 날갯짓 드론에 부착, 날개 변형에 따른 신호변화를 수집했다. 균열센서란 크랙(빈 틈)이 벌어짐에 따라 전기적인 저항이 변하는 것을 이용해 기계적 변형을 측정하는 방식의 센서다. 또 머신 러닝 기술을 이용해 날개 변형 정보 속에 드론 비행 제어에 필요한 바람의 방향과 속도 정보가 포함돼 있다는 점을 파악했다.  

실험 결과 연구팀이 만든 새로운 비행 제어 기술은 날개 변형 정보를 통해 비행 중 바람의 방향과 세기를 약 80%의 높은 정확도로 분류했다. 덕분에 바람이 부는 환경에서도 드론이 목표 지점으로 날아가 위치를 유지할 수 있었다. 바람이 불지 않는 환경에서는 스스로 비행 경로를 추적해 사용자가 지정한 6가지 경로로 비행할 수 있다.
  
강 교수는 “이번 연구는 기존에 없던 날개변형 정보 기반의 날갯짓 드론 제어 기술을 개발하고 실효성을 검증한 데 의의가 있다”라며 “공중에 머무를 수 있을 뿐 아니라 글라이딩이 가능한 날갯짓 드론 개발의 단초가 되길 기대한다”라고 밝혔다. 

이번 연구 성과는 국제학술지 ‘네이처 머신 인텔리전스(Nature Machine Intelligence)’에 20일 게재됐다.

[이채린 기자 rini113@donga.com]