드론의 진화… 360도 회전 눈 장착하고 날개 손상돼도 임무 수행

드론 약점인 안정성-기능성
신소재-날개씨앗 모방 구조로 높여

산악이나 동굴 등 험지, 재난재해 지역 등을 감시할 수 있는 드론의 약점으로는 안정성과 기능성이 꼽힌다. 이를 높일 수 있는 기술들이 15일(현지 시간) 국제학술지 ‘사이언스 로보틱스’에 나란히 공개됐다. 비행 중 물체에 부딪혀 손상을 입어도 정상적인 비행이 가능토록 하는 기술과 복잡하고 좁은 공간에서도 360도 시야를 확보할 수 있는 기술이다.

김수한 미국 매사추세츠공대(MIT) 연구원 연구팀은 탄소나노튜브를 활용한 새로운 유전탄성체 액추에이터를 개발하고 ‘사이언스 로보틱스’에 발표했다. 유전탄성체는 전기 자극을 받아 작동하는 신소재를 의미하며, 액추에이터는 전기 신호를 힘과 같은 물리적 변화로 바꿔주는 기계 장치다.

비교적 낮은 공중을 비행하는 드론은 물리적 손상을 입기 쉽다. 새와 부딪칠 수 있고 시스템에 오류가 발생하면서 높은 지형과 충돌하는 일도 종종 발생한다. 연구팀이 개발한 기술은 드론이 손상을 입어도 정상적인 비행이 가능하게 한다.

연구팀은 유전탄성체 액추에이터의 내구성을 강화하기 위한 소재로 탄소나노튜브에 주목했다. 원통 모양의 나노 구조를 갖는 탄소나노튜브는 전기와 열에 잘 견디면서도 유연하다는 장점이 있다. 드론에 동력을 공급하는 액추에이터의 내구성을 높이기에 적합한 소재란 설명이다.

연구팀이 개발한 유전탄성체 액추에이터를 장착한 드론은 작은 손상을 입어도 정상적인 비행을 위한 제어 체계가 문제없이 작동했다. 드론의 날개와 액추에이터에 약 100개의 구멍이 난 상태에서도 계속해서 공중을 날아다녔다. 전기 신호를 변환시키는 성능 측면에서도 기존에 사용되는 액추에이터와 비교했을 때 뒤떨어지지 않는 에너지 전환 성능을 유지했다.

연구팀은 “이번 연구는 공중에서 심각한 부상을 입은 뒤에도 민첩성을 유지하는 곤충의 모습에 착안해 이뤄졌다”며 “미래의 로봇 기술은 자연환경에서 적응하는 생물들의 모습에서 많은 영감을 얻을 것”이라고 설명했다.

드론이 더 험하고 복잡한 지형을 탐사할 수 있도록 하는 기술도 등장했다. 장푸 홍콩대 교수 연구팀은 전력을 소모하는 추가 장치 없이도 360도 시야를 확보하는 드론용 3차원(3D) 센서를 개발하고 ‘사이언스 로보틱스’에 발표했다. 기존 드론이 시야를 확보하기 위해 사용하는 센서는 360도 회전이 불가능해 시야가 제한된다는 단점이 있었다. 넓은 공간을 비행할 때는 문제가 없지만 동굴처럼 좁고 장애물이 많은 공간에서는 한계가 있다.

연구팀이 개발한 드론용 라이다(LiDAR) 센서는 단일 모터를 이용해 360도 회전이 가능하다. 기존 음파를 발사해 물체를 탐지하는 레이더와 달리 빛을 조사하는 라이다는 물체를 더 정밀하게 탐지할 수 있다.

홍콩대 연구팀이 개발한 ‘날개씨앗’ 모양의 드론. 360도 시야 확보가 가능하다. 사이언스 로보틱스 제공

연구팀은 필요한 전력량을 유지하면서 모터의 회전 기능을 추가하기 위해 날개 모양을 가진 식물 씨앗의 형태를 드론에 접목시켰다. 일명 ‘날개씨앗’은 헬리콥터 프로펠러처럼 씨앗의 외피를 펼쳐 바람의 힘을 타고 이동한다. 외부 환경의 힘을 이용하는 이 같은 원리를 활용하면 모터를 회전시키는 데 필요한 에너지를 추가적으로 얻을 필요가 없다.

실제 실험에서 이 센서가 장착된 드론은 처음 탐사하는 동굴의 3차원 지도를 완성하는 데 성공했다. 연구팀은 “영화 ‘프로메테우스’에 등장하는 스스로 회전하는 탐사선의 항법을 실제로 구현한 것으로 비유할 수 있다”고 말했다.

박정연 동아사이언스 기자 hesse@donga.com