풍뎅이 로봇 개발 박훈철 건국대 교수, 이달의 과학기술인 선정

장애물과 충돌해도 추락하지 않는 풍뎅이 모방 날갯짓 비행로봇 개발

날개에 충돌 에너지 흡수 장치를 부착한 곤충모방 날갯짓 비행로봇, KU비틀. 장수풍뎅이 뒷날개를 모방, 날개의 앞부분에 충돌 에너지를 탄성 에너지로 저장할 수 있도록 초탄성 형상기억합금 선재(wire)와 경첩 구조로 구성된 충돌 에너지 흡수 장치를 가진 날개를 개발했다. 이 날개는 날개의 바깥쪽이 날개 평면 및 수직 방향으로 접힐 수 있어서, 장애물과 충돌하면 초탄성 형상기억합금 선재가 경첩 구조를 중심으로 접히면서 충돌 에너지를 탄성 에너지로 저장한다. 이 날개를 곤충과 같이 꼬리날개가 없는 곤충모방 날갯짓 비행로봇(KU비틀)에 장착하고, KU비틀의 날개 바깥쪽이 장애물과 충돌하여도 안정된 비행이 가능함을 시연했다.[사진=과기정통부]

[아이뉴스24 최상국 기자] 과학기술정보통신부와 한국연구재단은 이달의 과학기술인상 8월 수상자로 건국대학교 스마트운행체공학과 박훈철 교수를 선정했다고 밝혔다.

박훈철 교수는 풍뎅이를 모델로 한 생체 모방 연구를 하고 있다. 지난해 12월에는 국제학술지 사이언스에 장수풍뎅이 날개의 펼침과 충돌 에너지 흡수 메커니즘을 규명하고 이를 공학적으로 모방해 장애물과 충돌해도 추락하지 않는 비행로봇 개발을 발표한 바 있다.

2021년 8월 이달의 과학기술인에 선정된 박훈철 건국대 교수 [사진=과기정통부]

곤충의 비행 원리를 모방한 날갯짓 비행로봇 연구는 대기밀도가 낮은 우주공간에서 비행할 수 있는 기술의 기반이 될 수 있어 많은 연구자들이 곤충 모방 로봇 개발을 시도하고 있다.

꼬리날개가 없는 곤충은 비행기나 조류(새)와 달리 날갯짓만으로 비행에 필요한 공기력과 자세 유지에 필요한 제어력을 얻는다. 이같은 특징에 주목해 2000년대 초반 공기 밀도가 낮은 화성에서의 비행 방법으로 곤충 비행을 모방한 연구가 급속히 진행됐다. 하지만 기술 구현이 어려워 아직도 꼬리날개 없이 5분 이상 제어비행에 성공한 날갯짓 비행로봇은 세계적으로도 드물다.

박 교수는 "현재 화성에서도 날개짓 비행이 아닌 서로 반대 방향으로 빠르게 회전하는 한 쌍의 날개를 가진 회전익 무인기가 비행하는 이유"라면서 "곤충모방 비행로봇의 비행효율은 실제 곤충의 비행효율에 미치지 못해 저를 포함한 많은 연구자가 해법을 찾고 있다"고 설명했다.

박 교수 팀은 2016년에 약 40초 제어 비행에 성공한 데 이어 2019년에는 건국대 기계항공공학부 강태삼 교수 연구실에서 개발한 질량 1그램의 일체형 제어시스템을 탑재한 비행로봇으로 약 9분의 비행에 성공했다. 이는 전 세계 대학 연구실에서 개발한 곤충모방 날갯짓 비행로봇 중 최장 비행시간 기록이다.

박 교수팀이 지난해 12월 사이언스에 발표한 논문은 장수풍뎅이가 날개를 접업다 펼치고 충돌 에너지를 흡수하는 메커니즘에 규명하고 이를 모방해 개발한 비행로봇 'KU비틀'에 관한 것이다.

장수풍뎅이는 날갯짓 비행 직전에 앞날개만 완전히 펼치고 뒷날개는 날개 바깥쪽만 펼친 채로 날갯짓을 시작하는데, 이 초기 날갯짓으로 발생하는 공기력과 관성력이 뒷날개를 완전히 펼치는데 기여한다. 연구팀은 이를 초고속 카메라로 촬영, 관찰해 원리를 밝혔다. 또한, 비행 중에 장애물 충돌로 뒷날개가 접히더라도 중앙부의 충돌 에너지 흡수로 짧은 시간 안에 다시 펼쳐져서 안정된 비행을 계속할 수 있음을 입증했다.

박 교수팀은 이 원리를 적용해 날개에 충돌 에너지 흡수 장치를 부착한 곤충 모방 날갯짓 비행로봇 ‘KU비틀’을 개발했다. 연구팀이 개발한 날개는 바깥쪽이 날개 평면 및 수직 방향으로 접힐 수 있어서, 장애물과 충돌하면 초탄성 형상기억합금 선재가 경첩 구조를 중심으로 접히면서 충돌 에너지를 탄성 에너지로 저장한다. 이를 비행로봇에 장착해 비행중에 날개가 장애물과 충돌해도 안정된 비행이 가능함을 시연했다.

박훈철 교수는 “이 연구는 장수풍뎅이 날개의 충돌 에너지 흡수 원리를 규명하고, 이를 독자적 기술로 구현한 데 의의가 있다”며 "기존 드론과는 전혀 다른 원리로 비행하는 곤충 드론은 국방 관련 기관에서 많은 관심을 보였지만 아직 실용화를 위해서는 여전히 추가연구가 필요하다. 저밀도 대기 비행이 가능하고 좀 더 비행효율이 높은 곤충 모방 비행로봇에 대한 연구를 계속할 계획”이라고 밝혔다.

/최상국 기자(skchoi@inews24.com)

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