4분 읽기
- 비행 로봇은 바람과 상승기류에 따라 날개의 각도와 접힘을 유연하게 조절하는 날개를 가지고 있어 안정적인 비행이 가능
- "플로티는 풍속 변화에 매우 강한 회복력을 보인다"

드론, 상승기류를 타고 새처럼 하늘을 날아 올라

새에서 영감을 얻은 새로운 드론이 로터나 다른 능동 추진 장치 없이 상승기류를 이용해 제자리 비행을 할 수 있게 되었다. 이는 자연에서 영감을 받은 설계 덕분이다. 이 비행 로봇은 바람과 상승기류에 따라 날개의 각도와 접힘을 유연하게 조절하는 네 개의 날개를 가지고 있어 안정적인 비행이 가능하다. 이러한 시스템은 기존 드론에도 적용되어 에너지 효율을 높일 수 있을 것으로 기대된다. 

▲ "플로티"가 작업 환경에서 비행하고 있다.

비행 카메라, 운송 수단, 연구 도구, 군사 무기 등 드론을 비롯한 무인 항공기는 오늘날 점점 더 중요한 역할을 하고 있다. 인공지능과 더욱 정교해진 설계 덕분에 드론은 자율적으로 경로를 찾고, 독립적으로 탐사하며, 장애물을 회피할 수 있다. 최신 드론은 악천후는 물론 화성의 희박한 대기에서도 비행할 수 있도록 설계되었다.

하지만 현재 드론 기술에는 한 가지 단점이 있다. 추진 시스템과 설계에 따라 드론의 성능에 여러 가지 불리한 점이 존재한다는 것이다. 쿼드콥터나 기타 회전익 드론은 기동성이 뛰어나 모든 방향으로 비행할 수 있고 제자리 비행도 가능하다. 하지만 추진 시스템에 많은 에너지가 소모되어 비행 거리가 제한적이다. 반면 고정익 드론은 에너지 효율은 높지만, 기동성이 떨어지고 제자리 비행이 불가능하다.

▲ c 플로티의 개념은 공장 굴뚝이나 자연 상승기류에 적용될 가능성이 있다.

새의 비행 기술에서 영감을 얻다

연구진은 에너지 소모가 매우 적은 비행 로봇을 개발했다. "플로티(Floaty)"라는 이름의 이 드론은 바람의 흐름에 맞춰 자세를 조절하여 효율적으로 공중에 떠 있는 새의 비행 기술을 본떠 만들어졌다. 예를 들어, 많은 맹금류는 상승기류를 타고 활공하거나, 황조롱이처럼 제자리 비행을 하기 위해 날개와 꼬리 깃털의 각도와 모양을 바꾼다.

튀빙겐에 있는 막스 플랑크 지능형 시스템 연구소(MPI-IS)의 가디르 엘름카이엘(Ghadeer Elmkaiel) 연구팀이 개발한 이 비행 로봇 역시 이러한 원리를 이용한다. 새처럼 플로티는 형태를 바꾸고 바람 조건에 적응할 수 있다. 조절 가능한 네 개의 날개는 비교적 약한 상승기류에서도 충분한 양력을 발생시켜 로터나 다른 모터 없이도 공중 부양을 유지할 수 있다.

▲ d 로봇은 네 개의 날개를 회전시켜 모양과 구성을 변경할 수 있다.

플로티의 작동 원리

연구진은 "플로티는 고정익 항공기와 로터 구동 드론 사이의 간극을 메우는 수동 동력 비행 로봇"이라고 설명했다. 약 340g 무게의 이 비행 로봇의 핵심 구성 요소는 얇은 사다리꼴 날개 네 개다. 탄소 섬유 막대에 부착된 이 두 부분으로 된 날개는 각각 소형 서보 모터를 사용하여 모양과 각도를 유연하게 변경할 수 있다. 전체적으로 기울이거나 가운데를 접어 다양한 공기역학적 특성을 가진 여러 가지 날개 모양을 취할 수 있다.

날개 모양은 상승기류를 최적으로 활용하도록 훈련된 머신 러닝 컴퓨터 모델에 의해 제어된다. 소프트웨어는 비행 로봇의 날개 모양을 현재 바람 조건에 따라 자동으로 빠르게 조정한다. 이 덕분에 플로티는 돌풍이나 외부 충격에도 균형을 유지할 수 있다. 연구팀의 설명에 따르면, 이는 능동적인 추진력 없이, 최소한의 에너지 소비로 가능한 일이다.

▲ e, f는 로봇의 위치와 방향을 제어한다.

풍동 테스트

엘름카이엘 연구팀은 최대 초속 10미터의 풍속이 아래에서 불어오는 풍동에서 드론의 안정성과 유연성을 테스트했습니다. 초기에는 플로티가 몇 가지 문제점을 보이며 넘어지려는 경향이 있었습니다. 이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 로봇의 무게중심을 낮추고 단단한 플랩에 굴곡을 추가했다. 이를 통해 드론은 공중에서 안정적인 자세를 유지하고 자동으로 균형을 회복할 수 있게 되었다.

연구팀은 "플로티는 풍속 변화에 매우 강한 회복력을 보인다"고 보고했다. 풍력 발전기의 일부가 바람에 가려지더라도 드론은 여전히 ​​공중에 떠 있을 수 있다. 하지만 연구팀은 상승 기류가 없으면 드론이 제대로 작동하지 않으며, 강한 풍향 변화(윈드 시어)가 발생하면 표류한다고 밝혔다. 그럼에도 불구하고, 그들은 상승기류가 있는 곳, 특히 에너지 효율이 높고 유연한 드론이 필요한 곳이라면 어디든 자신들의 비행 로봇이 유리하다고 생각한다.

하이브리드 드론에도 적용 가능

"우리 연구는 더욱 효율적이고 지속 가능한 비행 로봇을 개발하는 새로운 길을 열어준다고 생각한다"고 엘름카이엘은 말했다. 연구팀은 공장 굴뚝 검사나 기상 관측 기구 제어와 같은 드론 활용 가능성을 구상하고 있다. 플로티의 호버링 기술을 기존 드론과 결합하면 더욱 다양한 가능성이 열릴 수 있다. 예를 들어, 움직이는 날개를 활용하면 쿼드콥터의 에너지 효율을 높여 더욱 효율적인 호버링을 가능하게 할 수 있다.

"이러한 하이브리드 설계는 낮은 전력 소비와 향상된 비행 제어 기능을 결합할 것이다"고 엘름카이엘과 그의 동료들은 설명한다. "이를 통해 드론은 더욱 다양한 풍속 조건과 활용 시나리오에서 작동할 수 있게 될 것이다.”

출처: Ghadeer Elmkaiel (Max Planck Institute for Intelligent Systems, Tübingen) et al., npj Robotics, 2026; doi: 10.1038/s44182-026-00086-z

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]