인간이 만든 비행체가 하늘을 날기 위해서는 기본적으로 두 가지 장치가 필요하다. 앞으로 나가는 기능을 하는 추진용 엔진과 위로 뜨는 역할을 하는 부상용 날개가 바로 그것이다.
새나 곤충은 이 두 가지 장치가 모두 결합되어 있다. 따라서 인공 비행체가 새나 곤충들의 비행 시스템을 효과적으로 모방할 수 있다면 현재보다 더욱 소형으로 제작해 다양한 용도로 사용하는 일이 가능해진다.
생체를 모방한 비행체에 대한 연구가 세계 각국에서 활발하게 진행되고 있는 상황에서, 최근 동물의 움직임과 유사한 로봇들을 만드는 것으로 유명한 독일의 페스토(Festo) 사가 잠자리처럼 날갯짓을 하며 날 수 있는 로봇 드론을 만들었다는 소식이 전해져 화제가 되고 있다.


잠자리처럼 날 수 있는 로봇 드론



IT기술 전문매체인 엔가젯(engadget)은 온라인 판을 통해 ‘바이오닉 옵터(BionicOpter)’ 라는 이름의 잠자리 로봇 드론이 인공적인 비행체로는 이제껏 볼 수 없었던 새로운 방법을 선보이며 시험비행에 성공했다고 최근 보도했다.
스마트폰으로 원격조정이 가능한 바이오닉 옵터는 잠자리와 똑같이 4개의 날개를 가졌다. 날개의 각을 90도 까지 움직일 수 있어 수평과 수직으로 어떤 방향으로든지 날 수 있다. 또한 헬리곱터처럼 공중에서 움직이지 않은 채 비행하는 호버링(hovering)이 가능하다.
날개 폭 70cm, 몸 길이 44cm, 무게 175g의 잠자리 로봇 드론은 실제 잠자리보다는 훨씬 더 크고 길다. 그러나 진폭 제어 기능을 하는 가벼운 날개는 얇은 호일을 씌운 탄소섬유 프레임으로 만들어져 크기에 비해 무게가 상당히 적다는 것이 특징이다.


곤충 날개를 기반으로 한 소형 비행 로봇



이보다 앞서 옥스퍼드대에서도 실제 곤충의 날개에 기반을 둔 혁신적인 날개를 가진 소형 비행 로봇을 개발 중인 것으로 알려졌다. 초소형 카메라가 내장된 이 혁신적인 곤충 로봇은 사람들이 진입하기에는 너무 위험한 비상 상황이나 군사적인 정찰 목적에 이르기까지 다양한 목적에 사용될 것으로 기대를 모으고 있다.
봄프리 박사는 “벌은 하루 종일 짐을 운반하고, 잠자리는 다른 곤충을 잡아먹기 위해 빠르게 날 수 있으며, 메뚜기는 엄청난 거리를 이동하는 특징이 있다”며 “이러한 곤충들의 날개 부분에 대한 설계의 차이점을 조사하는 것이 우리 연구의 중요한 초점”이라고 강조했다.
아울러 “개발중인 로봇은 곤충처럼 크기가 작으면서도 날 수 있는 형태”라며 “초소형 비행체를 어떻게 설계해야 하는지를 자연이 이미 제시해 주고 있다”고 설명했다. 이어 “자연이 알려준 교훈을 통해 새로운 차원의 곤충 로봇을 공기역학적으로 엔지니어링해 주위 환경과 완벽하게 통합되는 모습을 보여주겠다”고 포부를 밝혔다.
현재 봄프리 박사 연구진은 곤충 날개 부분의 설계와 성능을 조사하기 위해 ‘입자영상 유속계(PIV)’ 기술을 개발중이다. 최신의 컴퓨터 모델링 기술과 고속·고정밀 카메라 기술을 모두 사용해 날개 주위에 발생하는 공기의 흐름을 계산하는 기술이다.


벌새 모양의 초소형 무인 정찰 로봇



생체의 날갯짓을 연구해 비행체에 반영하는 작업이 곤충을 대상으로만 이루어지고 있는 것은 아니다. 미국 국방성고등연구기획국(DARPA)과 해군연구소(ONR)는 벌새 모양의 초소형 무인 정찰 로봇인 ‘나노 허밍버드(Nano Hummingbird)’를 개발중이다.
DARPA의 관계자는 “나노 허밍버드의 핵심기술은 날개”라며 “연구원들이 정찰 로봇에 적합한 날개의 형상을 찾느라 300개 이상의 날개를 디자인했고 그중 90개를 제작해 실험에 적용했다”고 소개했다. 특히 “날개의 진동으로 인해 장착된 카메라의 촛점이 흔들리는 바람에 영상을 확보하지 못하던 문제는 자동통제시스템 기술로 해결했다”고 밝혔다.
하지만 아직도 나노 허밍버드의 날갯짓은 부자연스러운 상태다. 연구진은 최근까지도 불안정한 공기흐름의 형태와 싸우고 있다. 날갯짓을 하는 비행체는 고정된 날개를 가진 비행체에 비해 공기역학 효율이 열세이기 때문이다.
그럼에도 불구하고 연구진이 날갯짓을 하는 비행체 연구에 박차를 가하고 있다. 날갯짓 비행체가 고정익 비행체보다 기동성면에서 훨씬 더 많은 이점을 갖고 있기 때문이다. 제자리 비행과 전진 비행이 공중에서 동시에 가능해지는 것이다.
이 외에도 새는 효과적인 정지를 위해 날개에 많은 항력을 받아 낙하산처럼 이용한다. 기존의 비행체가 가진 고정된 날개로는 이와 같이 다양한 역할을 할 수 없기 때문이다.