국내 연구팀이 날갯짓 비행로봇이 장애물 충격에도 끄덕없이 비행할 수 있도록 해주는 기술을 개발했다.

건국대학교 KU융합과학기술원 박훈철 교수팀이 장수풍뎅이의 날개 펼침 원리를 규명하고, 날갯짓 하는 날개의 바깥 부분이 장애물과 충돌하는 경우 바깥쪽 날개의 접힘으로 충격을 완화해 비행을 지속할 수 있다는 점을 실험적으로 입증했다고 6일 밝혔다.

연구팀은 이같은 장수풍뎅이 뒷날개의 접힘-펼침 원리를 모방한 인공 날개를 곤충모방 날갯짓 비행로봇에 장착했다. 이로써 비행로봇이 날갯짓 비행 중에 바깥 날개가 장애물과 충돌하여도 지속적으로 비행할 수 있게 됐다는 설명이다. 이번 연구 성과는 과학 분야 최고 권위 학술지 중 하나인 '사이언스(Science)'의 온라인 판에 지난 4일 게재되었다.

곤충 중에서 유일하게 풍뎅이는 뒷날개를 펼쳐서 비행하고 접어서 육상 또는 수중에서 이동한다. 이같은 과정은 그동안 몇 가지 원리로 설명되어 왔지만, 뒷날개가 완전히 펼쳐지는 과정에 대해서는 명확한 설명이 부족했다. 이번 연구에서는 장수풍뎅이의 날개를 큰 각도의 날갯짓을 발생할 수 있는 '날갯짓 장치'에 장착하고, 이를 장수풍뎅이의 날갯짓 주파수인 38Hz로 구동하면서 디지털 초고속 카메라로 촬영해, 접혔던 날개가 날갯짓 초반에 공기력과 관성력으로 완전히 펼쳐진다는 점을 설명했다.

▲ 그림 1. 장수풍뎅이 뒷날개: (A) 접힌 모습과 펼쳐진 모습, (E) 실험에 사용한 날개(사진=건국대)

그림 1A는 장수풍뎅이의 뒷날개 구조와 접힌 형태를 도시하고, 그림 1E는 실험에 사용한 세가지 날개와 날갯짓 장치에 장착된 날개를 보여준다. 날개의 접힘부를 제거한 경우에는(그림 1E 두번째) 날개의 접힘 형태를 유지할 수 없었고, 날개의 막이 모두 제거된 경우에는(세번째) 날갯짓을 더 많이 해야 날개가 완전히 펼쳐졌다. 이로써 초기 날갯짓으로 발생하는 관성력과 공기력이 날개를 완전히 펼치는 원천임을 입증하였다.

▲ 그림 2. 장수풍뎅이가 비행 중 장애물과 충돌하는 경우: (A) 장수풍뎅이가 비행 중에 날개 안쪽이 장애물과 부딪힌 경우, 장수풍뎅이는 대부분 장애물을 붙잡거나(P, perching) 추락함(T, tumble), (B) 날개 바깥쪽이 장애물과 충돌한 경우에는 대부분 비행을 계속할 수 있음 (F, flight), (C) 장수풍뎅이가 몸체 가까이에서 장애물과 충돌하는 경우의 거동, (D) 장수풍뎅이의 안쪽 날개가 장애물과 부딪히는 경우의 거동, (E) 장수풍뎅이의 바깥쪽 날개가 장애물과 부딪히는 경우의 거동(사진=건국대)

이같은 장수풍뎅이의 날개 접힘과 펼침은 비행 전후의 기동 모드 변환 때에만 유용한 것으로 알려져 있다. 그림 2에서와 같이, 장수풍뎅이가 비행 중에 날갯짓 하는 날개가 장애물(수직으로 세워진 막대)과 충돌하는 경우에 대해 초고속 카메라로 촬영한 결과, 장애물이 몸체에 가까운 경우에는 펼쳐진 다리로 장애물을 붙잡고(C), 장애물이 안쪽 날개에 부딪히는 경우에는 충돌 후 추락하며(D), 장애물이 바깥쪽 날개에 부딪히는 경우에는 자세를 재조정해 다시 비행할 수 있음(E)을 밝혔다.

▲ 그림 3. 꼬리 날개 없는 날갯짓 비행로봇: (A) 접힘-펼침이 가능한 날개를 장착한 비행로봇, (B) 바깥쪽 날개의 접힘-펼침(사진=건국대)

▲ 그림 4. 장애물 충돌 후 비행로봇의 거동: (D) 안쪽 날개가 장애물과 충돌한 경우에는 추락 (E) 바깥쪽 날개가 장애물과 충돌하 경우에는 비행 지속 가능(사진=건국대)

또한 이런 장수풍뎅이의 날개 펼침-접힘 원리를 모사해 공학적으로 구현한 인공 날개를 그림 3에서와 같이 꼬리날개 없는 곤충모방 날갯짓 비행로봇에 장착했다. 이 비행로봇을 장수풍뎅이와 같은 방법으로 비행 시험하여, 이 비행로봇의 안쪽 날개가 장애물과 충돌하는 경우에는 장수풍뎅이와 마찬가지로 자세를 잃고 추락했으나 (그림 4D), 바깥쪽 날개가 비행 중 장애물과 충돌하는 경우에는 자세에 큰 변동 없이 비행을 지속할 수 있었다 (그림 4E). 이로부터, 바깥쪽 날개가 장애물에 충돌하는 경우에는 날개가 접히는 부분 (그림 1A의 MJ, FJ)에서 충동 에너지를 흡수하고, 아주 짧은 시간 안에 다시 바깥쪽 날개가 펼쳐지게 하여 날갯짓 비행을 지속할 수 있게 한다는 것을 증명했다.

박훈철 교수는 “이번 연구에서 개발한 장수풍뎅이 모방 날개를 장착하는 경우, 날갯짓 비행로봇들이 장애물에 부딪히는 경우에도 비행을 지속하여 주어진 임무를 완수할 수 있는 가능성을 높일 수 있다”라고 말했다.

이번 연구 성과는 건국대학교 브레인풀(Brainpool) 지원사업과 한국연구재단 기초연구실지원사업의 부분적 지원으로 수행되었으며, 저자로는 박훈철 교수 연구실의 외국인 전임 조교수인 판호앙부 박사가 주저자 및 공동 교신저자, 박훈철 교수가 교신저자로 논문에 게재됐다.