▲ 날갯짓 곤충과 날갯짓 드론에서 날개 변형을 감지하는 메커니즘 / 날갯짓을 하는 곤충들은 날개에 컴패니폼 센실라라고 불리는 작은 감각 기관을 가지고 있으며, 이 기관은 날개의 움직임이나 변형 시 발생하는 미세한 압력과 변형을 감지할 수 있다. 컴패니폼 센실라는 곤충이 날개를 정밀하게 조절하고 비행 중 안정성을 유지하는 데 중요한 역할을 한다. 이러한 곤충의 감각적인 비행 능력에서 영감을 받아, 컴패니폼 센실라가 밀집된 날개의 힌지 부분에 고민감도 균열 센서를 부착하였다. 비행 중 날개에 작용하는 복잡한 공탄성 힘으로 인해 날개가 변형되면, 이 변형은 센서의 미세한 균열을 통해 전기적 저항 변화를 일으키고, 이를 통해 날개에 가해지는 힘의 강도와 방향을 측정할 수 있다. 이 정보를 바탕으로 생물학적 메커니즘을 모방한 효율적인 비행 제어 시스템을 개발할 수 있다.(그림 및 설명=아주대학교 강대식 교수)  © 특허뉴스

날갯짓 드론이 스스로 바람을 감지하고 목표 위치까지 자율적으로 비행할 수 있는 ‘감각 비행’ 제어기술이 개발되었다. 이 기술은 스파이로봇, 탐험, 재난구조 로봇 등 다양한 분야에 활용될 것으로 기대를 모은다.

‘감각 비행(fly-by-feel)’이란, 새나 곤충이 비행할 때 날개와 몸에 느껴지는 바람의 압력과 공기의 흐름을 감지해 방향과 속도를 조절하는 방식이다. 이 방법은 비행체가 카메라나 GPS같은 복잡한 센서를 사용하지 않고도 주변 환경을 인지해 기동성을 높이고 에너지 효율을 개선할 수 있는 장점이 있다.

한국연구재단은 아주대학교 강대식, 한승용, 고제성 교수 공동 연구팀이 날갯짓 드론의 날개 변형 데이터를 측정하고, 강화 학습을 통해 ‘감각 비행’ 제어기를 개발했다고 발표했다.

잠자리, 나방 같은 비행 곤충들은 불안정한 공기 흐름에서도 호버링과 회전 등 뛰어난 비행 능력을 발휘한다. 이를 모방한 날갯짓 드론은 프로펠러 방식의 회전익 드론보다 구조가 유연하고 충돌에 강하며, 소음 저감 효과가 뛰어나 초경량 드론 모델로 주목받고 있다. 그러나 기존의 제어 방식은 장거리 비행에 한계가 있어 독자적인 제어 시스템의 필요성이 제기되었다.

연구팀은 자연계 비행 곤충들이 날개의 변형을 감지해 비행을 제어하는 원리를 바탕으로, 이와 유사한 초경량 고민감도 균열센서를 개발해 날갯짓 드론에 부착했다. 이 센서를 통해 수집된 날개 변형 정보를 머신 러닝 기술을 이용해 분석한 결과, 바람의 방향과 속도를 80%의 정확도로 분류할 수 있었으며, 바람이 부는 환경에서도 목표 지점으로 자율 비행이 가능했다. 더불어 바람이 없는 환경에서는 지정된 6가지 경로를 정확히 비행할 수 있었다.

강대식 교수는 “이번 연구는 날개 변형 정보 기반의 새로운 날갯짓 드론 제어 시스템을 개발하고 그 실효성을 검증한 데 큰 의미가 있다”라며 “이 연구 결과가 더 나아가 글라이딩이 가능한 날갯짓 드론 개발의 중요한 발판이 될 것으로 기대한다”고 밝혔다.

이 연구 성과는 국제학술지 ‘네이처 머신 인텔리전스(Nature Machine Intelligence)’에 9월 20일 게재되었다.

논문명은 Wing Strain-based Flight Control of Flapping-Wing Drones through Reinforcement Learning 이다.