드론이 물에서 이륙할 수 있다면 어떻게 될까?

자연에서 몇몇 동물들은 물에서의 삶과 공기 중에서의 삶 양쪽에서의 삶을 위한 성공적인 진화를 이룩하기도 했습니다. 예를 들면, 날찌나 날치 오징어, 다이빙하는 새나 다이빙하는 곤충을 들 수 있습니다. 이러한 여러 생존 형태를 모두 가지고 있는 동물에 대한 생물학적인 특성을 로봇과 유사한 드론, 그러니까 Aquatic Micro Air Vehicle (AquaMAV)라고 불리는 기기에 적용하기 위한 연구들이 곳곳에서 진행되고 있는데요. 이 AquaMAV는 이러한 동물들의 생존 형태를 기본 설계 원리로 추상화했습니다. 자연 환경에 따른 적응법과 로봇 공학 디자인의 결합으로 개발되기 시작한 AquaMAV는 성공적으로 수륙 양용 로봇의 설계를 위한 핵심 설계 원칙을 반영했습니다.

 

예를 들면, 물을 유입시켜 다이빙 효율을 높이 위한 접이식 날개나 물을 이용하여 공중으로 날아오를 수 있는 워터 제트 추진 기법, 또는 물 배출을 위한 비행 등을 핵심 설계 원칙 중에 몇가지로 들 수 있습니다. 현재의 Micro Air Vehicle(MAV)는 육지, 공기 중에서만 작동할 수 있기 때문에 이러한 물이나 수중 환경 속에서는 그 운용 상 제약이 많아집니다.이것을 해결하기 위해서는 효과적으로 비행을 하면서 동시에 물속으로 뛰어들었다가 다시 비행을 할 수 있는 다중 환경 구동 방식의 Micro Air Vehicle(MAV)를 설계하면 가능한데요. 지역적으로 광범위하게 분산되어 수행할 수 밖에 없는 수질 모니터링이 가능해지거나, 재난 또는 위험상황에서 수색이나 구조작업을 펼칠 수 있고, 또는 쉽고 빠르게 수중 탐사를 통해 더 많은 연구를 수행할 수도 있습니다.

 

물 속에서 공중으로 이륙하기 위해서 가장 중요한 것은 일반적인 소형 비행체들이 물에서 비행 모드로 전환하기에는 충분한 전력이 필요하다는 점입니다. 이런 중요한 이슈를 해결하기 위해 연구팀은 물속에서 점프 글라이딩을 수행할 수 있는 새로운 제트 추진 로봇과 함께, 물 속에서 바로 탈출할 수 있는 궤도를 정확하게 예측할 수 있는 평면 궤도 모델을 개발했습니다. 이 모델을 이용해서 수면의 파동에 의한 불확실성을 크게 줄일 수 있어서 한층 안정된 비행이 가능해졌고, 점진적인 이륙 준비가 아닌 순간적인 이륙 자체가 가장 적합한 비행 전환 방법인 것을 알아내게 되었죠.

 

AquaMAV는 Co2로 구동되는 워터 제트를 사용하면서 맞춤형 형태의 메모리 합금 가스 배출을 사용하여 물을 빠져나가게 됩니다. 더 자세히 말하면, 물 속에서 수집된 물을 추진제로 배출시키면서 다시 날아오르는 것인데요. 새로운 제트 추진기는 가연성 연료를 제어할 수 있을 뿐만 아니라 연료를 저장하거나 소형화하는 문제를 극복하고 수집된 물과 반응하는 고체 칼슘 탄화물로부터 아세틸렌가스를 생성하게 됩니다. 여기서 생산된 가스는 밸브가 없는 AuqaMAV 내의 연소실에서 연소되면서 20N 이상의 추진력을 생성하게 되고 이것은 AuqaMAV를 물 속에서 수면 밖으로 날려버리게 아주 충분한 힘이죠. 심지어 이렇게 물속을 탈출한 AquaMAV는 수면 아래에서 바로 튀어나와 날개를 펴고 1초 안에 11m/s 이상의 속도로 비행을 하게 됩니다. 와우!

 

이러한 동적인 설계는 물 속과 수면 바깥 양 쪽의 환경에서 작동하기 위한 상당한 추진력과 구조적인 설계의 절충을 의미하기 때문에 상당히 까다롭습니다. 연구팀이 개발한 가장 최신 버전의 AquaMAV 프로토 타입은 200g 무게의 고정 날개 비행체로써, 비행을 하다가도 물속으로 잠수가 가능하도록 변형 가능한 날개를 사용했는데요. 이것은 수면 위를 비행하다가 물속에 먹잇감이 나타났을 때 재빠르게 물속으로 들어가 먹이를 잡아 나오는 물새의 생체 역학적 구조를 연구하여 나온 결과물입니다. 특히 여기서 멈추지 않고, 기능의 개선을 통해, 약 14분 가량의 비행이 가능한 충분한 배터리 용량을 가지게 되었는데 이것은 비행 도중 물속으로 잠수 후, 수집한 물의 샘플을 가지고 다시 비행을 시작하여 원래의 출발지점으로 돌아올 수 있는 5km 범위에 해당합니다.

 

AquaMAV의 성능은 물 터널 실험에서 더욱 강화되었는데요. 이 실험에서는 AquaMAV의 다이빙 동작을 예측하고 수면에 진입할 타이밍에 날개를 접는 부분에 대해 강도높은 연구로 앞서 언급되었던 평면 궤도 모델이 개발되었습니다. 이러한 물체가 공중에서 물 속으로 진입할 때는 그 충격력이 클 수밖에 없는데요. 연구팀은 탄소 섬유와 케블러 복합 소재로 AquaMAV를 제작했기 때문에 충격력을 상쇄하고도 남는 제품을 만들 수 있었습니다. 현재는 AquaMAV가 잠수하는 동안 항력을 줄이고, 공기와 물의 상호작용을 이용하여 최대 잠수 깊이를 높이기 위해 지속적인 연구가 활발히 진행되고 있다고 하니, 앞으로의 활약상이 기대됩니다.