처음 시도했던 것은 고정익 모델이었다. 하지만 장애물 회피를 위한 센서들을 장착하고 나니 너무 무거워져 비행 자체가 불가했다. 그래서 회전익 모델로 설계 변경을 했으나 로터가 나뭇가지와 전선 등에 부딪치기 일쑤였다. 한 번은 될 대로 되라는 심정에 풍선에 모터를 부착해보기도 했는데 바람이 살짝만 불어도 항로에서 벗어나 버렸다.
괴로운 마음에 맥주잔을 기울이던 그들의 눈에 불현듯 유리창을 향해 달려드는 파리가 보였다. 그들이 만든 무인기였다면 유리가 박살났겠지만 파리는 유리창에 부딪혀 튕겨나간 뒤 다시 정상적으로 날아다녔다. 밖으로 나가고 싶었던지 그런 행동을 여러번 반복했음에도 유리창도, 파리도 아무런 피해가 없었다. 바넥은 당시를 회상하며 이렇게 말했다.
“이거다 싶었어요. 그 파리처럼 물체와 충돌하고도 원상태를 회복해 비행을 지속하는 무인기라면 정말 혁신적일 꺼라 생각했죠.”
물론 자연 모방은 절대 새로운 시각이 아니다. 항공분야에서는 더욱 그렇다. 그리스 전설에 나오는 다이달 로스나 레오나르도 다빈치조차 새를 모방한 날갯짓 항공기를 설계했다. 그러나 과거에는 모방의 의지만 강력했을 뿐 도면 속 설계를 파리와 꿀벌 같은 생명체가 비행하듯 완벽히 재현하기 위해 필요한 공기역학적 지식이 많이 부족했다. 하지만 이제는 아니다. 과학자들은 자연의 신비로움을 많은 부분에서 풀어냈고, 엔지니어들은 그것을 바탕으로 곤충에서 영감을 얻은 비행체를 다수 개발해냈다. 완전히 새로운 범주의 마이크로 무인기가 등장하기 시작한 것이다.
미국 오바마 행정부의 싱크탱크인 브루킹스 연구소의 피터 싱어 박사는 멋진 설계를 완성하는 데 있어 자연은 인간보다 수억 년이나 앞서 있다고 강조한다. “항공기 외에 로봇 역시 미래에는 현재와는 완전히 다른 모습을 하고 있을 겁니다. 정확히 말해 우리 주변에 있는 동물들의 모습을 닮아갈 것입니다.”
곤충 비행의 신비를 밝혀라
지금껏 확인된 지구상의 동물 중 약 80%에 달하는 90만 종이 곤충 또는 곤충의 친척들이다. 그럼에도 곤충들의 비행원리는 오랫동안 베일에 가려져 있었다. 예를 들어 고정익 항공기는 공기가 날개의 위아래로 꾸준히 흘러야만 양력을 얻어 비행할 수 있다. 회전익 항공기도 이와 크게 다르지 않다. 반면 앞뒤로 날개를 펄럭이는 곤충들은 날개 주변의 공기가 끊임없이 변한다. 또한 놀랍게도 꿀벌을 비롯한 많은 곤충들은 짧은 날개를 가지고도 자신의 체중을 훌쩍 뛰어넘는 양력을 생성해낸다. 이는 종래의 공기역학 이론으로는 설명이 불가능한 것이다. 그래서 과학자들은 날갯짓 비행을 이해하기 위해 가장 세세한 부분부터 들여다봐야 했다.
1970년대 영국 케임브리지대학의 동물학자였던 토르켈 와이즈 포 교수는 고속 촬영 기법을 활용해 제자리비행을 하는 곤충의 정확한 날개 움직임을 분석하고, 이를 곤충의 형태적 특징과 비교했다. 이를 통해 그는 일명 ‘치고 뻗기 효과(fling and clap effect)’를 포함, 곤충의 비행에 대한 일반 이론들을 정립했다. 치고 뻗기 효과란 다음과 같다. 비행 중인 곤충의 양날개는 위아래로 움직이는 동시에 앞으로 모였다가 벌어지기를 반복하는데, 벌어지는 동작에서 주변 공기를 밀쳐내 저기압 영역이 형성된다. 그러면 저기압 영역에 공기가 밀려들어오면서 난류가 만들어지고, 난류가 곤충이 날갯짓을 하는 동안 몸을 띄우는 데 필요한 양력을 만들어낸다는 것이다. 덧붙여 그는 날개의 각도와 회전에 의해서도 이와 유사한 난류가 발생, 추가 양력을 제공한다고 가정했다.
20년이 흘러 컴퓨터 기술이 이 이론을 현실에 구현할 수 있을 만큼 발전하자 과학자들은 이를 인공 비행체에 적용시키기 시작했다. 와이즈 포 교수의 제자였던 케임브리지대학 찰스 엘링턴 박사는 박각시 나방의 날갯짓을 모방하는 로봇 날개를, 미국 캘리포니아대학 버클리캠퍼스의 신경생물학자인 마이클 디킨슨 박사는 파리의 날갯짓을 모방한 로봇 초파리 날개를 개발했다. 그리고 각 곤충의 비행 시 공기역학 특성을 전례 없이 정밀하게 파헤쳤다.
1998년 디킨슨 박사는 펜타곤 산하 방위고등연구계획국(DARPA)에서 지원받은 250만 달러를 가지고 전기공학자 론 피어링 박사과 함께 자신이 찾아낸 원리를 파리 크기의 로봇에 적용하고자 했다. 대학원생이었던 로브 우드도 연구팀에 참여, 소형 부품의 제작과 핀셋을 이용한 조립을 도왔다.
“파리의 날개 움직임은 매우 복잡합니다. 정말 미묘한 일들이 엄청나게 많이 일어나요.”
2004년 대학원을 졸업한 우드는 하버드 대학으로 가서 로보틱스 연구실을 만들었다. 당시 우드는 극도로 에너지 효율적인 신소재를 가지고 파리의 날갯짓을 재현하는 작업을 했으며, 그 과정에서 곤충들이 몸의 회전을 감지하기 위해 사용하는 감각기관을 모방한 자이로스코프를 개발했다. 또한 아주 작은 크기의 시스템을 양산할 방안도 찾아냈다. 이제 남은 것은 이 모든 것을 하나로 모아 실제 비행이 가능한 곤충 크기의 비행체를 만드는 것뿐이었다.
이해한 것을 구현하라
2006년의 어느 추운 날. 우드는 로보틱스 연구실에 도착했다. 작업대 위에는 중량 60㎎, 날개 폭 3㎝, 그리고 집파리와 비슷한 크기의 가슴을 가진 로봇이 고전압증폭기와 데이터 수신 장비로 가득한 1.8m 높이의 장비와 줄로 연결된 채 놓여 있었다.
우드는 조심스럽게 연결 부위와 신호를 점검했다. 그리고는 전원을 넣고 자신의 파리 로봇이 날갯짓을 하며 몇 초간 공중에 떠오른 것을 지켜봤다. 여기까지 오는 데 무려 7년이 걸렸지만 사전에 입력된 경로로 지속 비행하는 다음 목표를 달성하기까지 다시 5년을 기다려야 했다. 그러던 2012년의 어느 여름 날 새벽 3시경. 우드에게 한통의 이메일이 도착했다. 연구실 소속 대학원생이 최신 시제품인 ‘로보비(RoboBee)’의 성공적인 비행을 목격한 뒤 환희에 들떠 그 영상을 보내온 것이었다. 동영상에는 공중으로 날아올라 안정적으로 제자리비행과 공중기동을 펼치는 로보비의 모습이 담겨 있었다.
“그날 밤 잠은 다 잤지요. 다음날 아침에 샴페인을 마시며 자축을 했죠. 하지만 흥분보다 안도감이 더 컸습니다. 목표를 달성하지 못했다면 연구방향이 뭔가 잘못됐으며, 그동안 헛일만 했다는 것을 인정하지 않을 수 없었을 테니까요.”
우드가 마이크로 무인기의 비행기술 분야를 개척하는 동안 다른 몇몇 연구자들은 날갯짓 역학을 접목해 소형 비행체의 양력 증강에 주력했다. 무인기 제작사인 에어로바이런먼트가 2011년 선보인 ‘나노 허밍버드(Nano Hummingbird)’가 가장 대표적. 날개폭이 불과 16.5㎝에 불과하지만 수직·수평 비행이 가능하며, 돌풍이 불어도 제자리비행을 할 수 있다. AA 배터리보다도 가벼운 19g의 중량에도 불구하고 카메라, 통신시스템, 전원 등을 모두 갖추고 있다.
미국 조지아공과대학의 스핀오프 기업인 테크젝트도 최근 날개폭 15㎝의 로봇 잠자리를 선보였다. 중량은 5.5g으로 모듈형 전자 패키지를 장착, 고해상도 영상 촬영과 무선통신 능력을 보유한다. 특징적 부분은 이 로봇잠자리가 공진(resonance)의 원리를 이용한다는 점이다.
공기 밀도, 날개 속도, 체중 등 3요소가 완벽한 균형 하에서 최적 효율의 속도로 날갯짓을 하면 여러 난류파가 만들어지고, 서로 합쳐지면서 커진다. 이것이 벌새나 꿀벌이 비행할 때 들리는 ‘윙’ 소리의 실체라는 게 테크젝트 자얀트 라티 사장의 설명이다. 날갯짓 무인기가 이런 공진을 적극 활용하면 에너지 효율을 높여 최소의 힘으로 최적의 양력을 얻을 수 있다고 한다. 이 회사는 지난해 얼리어답터를 타깃으로 상용 로봇잠자리를 출시한 데 이어 올해 말까지 새로운 타깃에 맞춤화된 신모델을 내놓을 방침이다.
무인기의 내구성을 높여라!
마이크로 무인기는 대개 작고 연약한 탓에 예기치 못한 충돌이 일어나면 파손되기 십상이다. 따라서 가일러와 바넥은 내구성 제고에 많은 노력을 기울였다. 술집에서 파리를 본 뒤 두 사람이 가장 먼저 한 일은 곤충의 비행을 재현한 경험자를 찾는 것이었다. 수소문 끝에 찾아낸 사람은 바로 우드였다. 이후 우드의 연구팀은 생체모방을 다루는 하버드대학 비스연구소와 공동으로 미 공군에 지원금을 신청한 뒤 영상캡처시스템을 사용해 유리와 충돌하기 전후의 파리 움직임을 근접 촬영해 날개와 다리의 정확한 움직임을 분석했다. 바넥은 가일러와 함께 이 영상을 처음 봤을 때 감탄을 금치 못했다.
“저희는 유리와 충돌한 파리가 조금이라도 비틀거리며 비행고도를 잃을 거라고 생각했어요. 그런데 파리는 너무나 우아하게 정상상태를 회복하더라고요.”
두 사람은 영상을 보며 파리 몸의 독특한 구조에 주목했다. 자바라처럼 주름진 외골격이 장애물과 충돌 시 완충장치 역할을 하는 듯 했다. 특히 파리는 충돌 직전 다리가 유리에 가장 먼저 닿을 수 있도록 몸의 각도를 바꾼다. 그 순간 날갯짓도 멈춘다. 유리창에 부딪칠 때 마다 반사적으로 충격가속도에 몸을 맡긴 채 추락하는 것이다. 그럼에도 파리는 몸의 태생적 무게중심에 의해 것인지 몇 밀리초(㎳)만에 자세가 안정된다. 그때 날개를 다시 퍼덕여서 정상 비행을 한다.
“장애물에 부딪쳤더라도 2~3번 날개를 퍼덕이는 것만으로 정상 비행 상태로 돌아갑니다. 정말 대단하지 않나요? 인공 비행체 중 이런 능력을 가진 것은 없습니다.”
두 사람은 자신들이 본 것을 마이크로 무인기 개발의 핵심가치로 삼았다. 무인기의 몸체는 강한 내충격성을 가져야 하며, 날개는 독립적 제어가 가능해야 했다. 그래서 그들은 충격흡수장치를 채용한 쿼드로터용 골격을 설계했다. 충격흡수장치는 탄소섬유와 플라스틱 소재 사이에 고무를 진동흡수재로 삽입한 구조다. 덧붙여 4개의 로터마다 개별 모터를 장착, 날개의 속도를 다르게 조절할 수 있도록 함으로써 비행제어 능력을 극대화했다. 혹여 강한 바람에 의해 제 위치에서 밀려나거나 장애물에 충돌할 경우 컴퓨터가 현 위치와 사전 입력된 비행경로 사이의 차이를 감지, 자동조종장치가 작동돼 비행 안정성을 확보한다.
작년 2월 바넥과 가일러는 자신들이 만든 무인기 ‘인스턴트 아이(InstantEye)’를 조지아주 소재 포트 베닝 육군기지에 보냈다. 미 육군이 매년 개최하는 경진대회에 참가시키기 위함이었다. 당시 1개 보병 소대가 인스턴트 아이로 여러 임무를 수행했고, 병사들은 인스턴트 아이에 최고 등급인 녹색을 부여했다.
미래의 장애물을 극복하라
그러나 몇몇 공학적 난제들은 여전히 남아 있다. 우드가 생각하는 최우선 선결과제는 전원이다. 훨씬 덩치가 큰 인스턴트 아이나 나노 허밍버드와는 달리 로보비는 외장 전원에 유선으로 연결해야 하기 때문이다. 그래서 미세 제조기술을 적용해 배터리의 크기를 소형화할 생각이며 MIT, 하버드대학, 워싱턴대학 연구자들과 협력해 혁신적인 배터리와 마이크로 연료전지, 무선 전원 등도 연구하고 있다.
가일러와 바넥의 목표는 인스탄트 아이의 프로펠러를 날개로 바꾸는 것이다. 돌풍이나 사소한 충돌에 있어서는 여타 무인기보다 회복력이 좋지만 프로펠러가 나뭇가지나 전력선에 걸릴 위험성이 높은 탓이다. 가일러의 설명이다.
“날갯짓을 하며 비행하는 새와 곤충들은 나무 등 움직이는 장애물이 많은 환경에서도 아무 문제없이 적응할 수 있습니다. 날개가 장애물에 걸려도 날갯짓을 통해 빠져나올 수 있죠. 무인기에 그런 능력을 부여하려면 프로펠러를 없애고 날개를 부착하는 수밖에는 없어요.”
디킨슨 박사는 현재 워싱턴대학의 연구소에서 첨단 이미징 시스템을 동원해 곤충 모방 무인기를 연구 중이다. 또 곤충의 뇌에 전극을 이식, 뉴런들의 활동도 기록하고 있다.
“우리는 이제 곤충이 비행 중일 때 뉴런의 정보처리 방식과 감각정보를 행동으로 바꾸는 기전을 조금씩 알아내기 시작했습니다. 우드의 로보비는 곤충이 비행할 때 쓰는 지극히 기초적인 기제에 의존하고 있을 뿐입니다. 저희는 파리의 비행방향 설정과 기동 방식까지 알아내고자 합니다.”
실제로 곤충 감지기관의 작동기전을 파악해 재현해 낸다면 지금보다 가볍고 스마트한 마이크로 무인기의 제작이 가능해진다. 그때는 활용범위 역시 대폭 확대될 것이다.
현재 가일러와 바넥은 인스턴트 아이를 군용 및 경찰용 장비로 판매할 계획이다. 영국군이 최근 아프가니스탄에서 헬리콥터형 마이크로 무인기 ‘블랙 호넷’을 도입, 게릴라 정찰임무에 투입한 만큼 시장성은 상당하다고 보고 있다. 경찰과 특수기동대들도 인질극 등이 발발했을 때 건물 내부를 은밀히 관찰한다거나 마천루 사이를 순찰할 때 마이크로 무인기는 유용한 도구가 될 수 있다. 우드의 경우 로보비를 좀더 다양한 용도로 활용할 방안을 모색 중이다. 그는 로보비 1,000대를 담은 상자의 무게가 450g도 안 된다는 점을 지적하며 재해 현장에 신속히 파견해 생존자 수색 임무에 사용할 수 있다고 말한다. 교통 상황이나 환경오염 등의 감시에도 효과적이며, 필요하다면 실제 곤충처럼 작물의 수분에 투입할 수도 있다.
활용 장소와 목적이 무엇이든 한 가지 확실한 것은 마이크로 무인기가 더 이상 다빈치의 스케치 속에 존재하지 않는다는 사실이다. 이들은 갈수록 기동력과 회복력이 높아지고, 자체 동력으로 비행할 수 있게 될 것이다.
차세대 곤충 모방 로봇
곤충 모방 마이크로 무인기는 1대로도 유용하지만 여러 대가 있으면 더 어려운 임무를 수행할 수 있다. 미국 펜실베이니아대학 비제이 쿠마르 박사는 애리조나주립대의 생물학자 스티븐 프랫 박사와 협력, 개미 집단에서 영감을 얻은 3가지 교훈을 쿼드로터 무인기에 적용하려 한다.
1. 자연 상태의 개미들은 자율적으로 움직인다.
반면 예전의 엔지니어들은 중앙집중형 시스템을 통해 무인기 편대를 통제하려 했다. 때문에 무인기의 숫자가 늘어날수록 필요한 알고리즘도 기하급수적으로 복잡해졌다. 이에 쿠마르 박사는 중앙집중형 시스템 대신 각쿼드로터에게 임무를 분할, 상호 보완적 역할을 수행하도록 프로그래밍 할 계획이다.
2. 모든 개미는 각각 다른 개미로 대체가 가능하다.
“무인기 군집의 크기를 늘리면서도 동작의 예측가능성과 군집 전체의 활력이 유지되려면 특정 개체가 작동 불능이 됐을 때 나머지 개체들이 해당 개체의 임무를 계속 수행할 수 있어야 합니다. 그래서 저는 무인기를 완벽히 똑같이 제작했습니다.”
3. 개미들은 동료의 위치를 감지하고, 주변정보에 의거해 행동한다.
이에 쿠마 박사는 무인기에 동작감지 센서, 카메라, 레이저를 장착해 장애물을 회피하면서 다른 무인기와 최소한의 거리를 유지하도록 했다. 그 결과, 그의 무인기들은 밀집된 상태에서도 서로 방해하지 않고 협동해서 무거운 물체를 들어 올릴 수 있다.
곤충 공기역학
과학자들은 고속 카메라를 이용해 곤충 날갯짓의 정확한 움직임을 관찰하고, 어떤 공기역학적 힘이 작용하는지를 알아냈다. 오늘날 우리가 마이크로 무인기를 설계할 수 있었던 건 그런 노력 덕분이다.
1. 날개가 몸 뒤쪽으로 펼쳐지면 날개의 가장자리에 토네이도 같은 소용돌이 난류가 형성되면서 날개 위쪽의 기압이 일시적으로 낮아진다. 이렇게 날개 아래쪽 기압이 상대적으로 높아지면서 양력이 발생한다.
2. 곤충은 몸 뒤쪽에 있던 날개를 앞쪽으로 이동할 때 날개를 회전시킨다. 이 회전에 의해 테니스공의 역회전과 유사한 힘이 생성돼 날개 윗면의 공기 흐름이 더욱 빨라진다.
3. 날갯짓을 하는 동안 날개는 이전에 만들어진 난류와 충돌하게 된다. 이때 날개와 난류의 충돌 각도에 따라 추가 양력 또는 하향력이 생긴다.
