[태그:] 공중·수중 드론

물은 공기보다 밀도가 1,000배 높습니다. 같은 날개를 같은 힘으로 휘저어도 공기 속에서는 몸을 겨우 띄우는 수준인데, 물속에서는 날개 하나 움직이는 데도 훨씬 큰 저항이 걸린다는 뜻이에요.

갈매기나 퍼핀 같은 바닷새는 이 차이를 아무렇지 않게 넘나듭니다. 하늘에서 바다로 내리꽂혀 물속을 헤엄치고, 다시 수면을 박차고 날아오르죠. 이 능력을 기계로 옮기려는 분야가 공중·수중 겸용 드론(aerial-aquatic vehicle)입니다.

MIT와 스위스 로잔 EPFL의 공동 연구진이 이 분야에 새 답안을 하나 냈어요. 새처럼 날개를 퍼덕이는 방식으로 물과 공기 사이를 건너는 로봇이고, 무게는 300g이 채 안 됩니다.

이 글은 로봇 소식 자체보다 원리 쪽에 무게를 둡니다. 순서는 세 단계예요.

• 물과 공기를 오가는 로봇은 왜 어려운가
• FAAV는 어떤 변수로 그 문제를 풀었나
• 어디에 쓰려고 만들었나

공중·수중 드론이나 생체모방 로봇이 처음이라면 이 순서대로 읽는 편이 구조를 잡기 쉬워요.

밀도 1,000배 차이, 날개 하나로 양쪽을 다 맞추기 어렵다

공중에서 몸을 띄우려면 묽은 공기를 최대한 많이, 빠르게 아래로 밀어내야 해요. 하늘을 나는 새나 비행 기계가 대체로 넓은 날개를 크게 휘두르는 쪽으로 진화하거나 설계된 이유입니다.

문제는 그 날개를 그대로 물에 넣었을 때 생깁니다.

• 공중에 맞춘 크고 넓은 날개: 물은 같은 동작에도 훨씬 큰 저항을 돌려주기 때문에, 공중에서 유리했던 날갯짓이 물속에서는 오히려 짐이 되기 쉬움
• 물속에 맞춘 작고 단단한 날개: 공중에서는 몸무게를 받쳐 줄 힘이 모자랄 수 있음

한쪽 환경에 맞추면 다른 쪽에서 손해를 보는 구조예요. 상식대로라면 물에서 쓸 추진 장치와 공중에서 쓸 추진 장치를 따로 다는 게 답처럼 보입니다. 하지만 장치가 늘면 무게가 늘고, 무게가 늘면 공중 비행이 다시 어려워지죠. 악순환입니다.

고비가 하나 더 있어요. 물에서 공기로 넘어가는 바로 그 순간. 수면을 뚫고 나오는 짧은 구간에서 기체는 물의 저항을 이겨내는 동시에 공중에서 떠오를 준비를 해야 하고, 날개에 묻은 물까지 처리해야 하거든요. 공중·수중 드론 연구가 ‘전환(transition)’을 별도의 과제로 떼어 다루는 것도 그래서고, 이번 연구에서 가장 눈여겨볼 대목도 이 구간입니다.

추진계 한 벌로 헤엄도 비행도, FAAV를 이루는 세 부분

정식 이름은 ‘날갯짓 공중·수중 비행체(flapping-wing aerial-aquatic vehicle)’, 줄여서 FAAV입니다. MIT 테크놀로지 리뷰는 이 기체를 ‘로보 퍼핀’이라는 표현으로 소개했어요. 무게는 300g(약 0.5파운드) 미만이고, 구성은 크게 세 부분으로 나뉩니다.

• 동체: 가운데 몸통에 배터리와 방수 전기 모터가 들어 있어요. 이 모터가 크랭크축을 돌리고, 크랭크축이 미리 정해 둔 주파수로 날개를 위아래로 움직입니다.
• 날개 두 장: 얇은 막(membrane)으로 만들어 잘 휘어져요. 표면에는 물을 밀어내는 소수성 나노입자를 코팅해 물기가 빨리 빠지도록 했습니다.
• 꼬리: 모터로 각도를 바꿀 수 있는 조향용 꼬리. 각도를 조절해 기체가 위로 날아오르거나 아래로 잠수하도록 돕습니다.

핵심은 추진이 하나로 묶여 있다는 점이에요. 물속에서 헤엄칠 때도, 공중을 날 때도 같은 모터, 같은 크랭크축, 같은 날개가 일합니다. 원문 설명에는 물속 전용 추진기가 따로 등장하지 않아요. 앞에서 말한 ‘장치가 늘면 무게가 는다’는 악순환을 정면으로 피한 설계이고, 300g 미만이라는 가벼운 몸무게도 부품을 겹쳐 쓰는 이 단순한 구성 덕분으로 보입니다.

소수성 코팅도 그냥 붙인 장치가 아닙니다. 젖은 날개는 무거워지고, 퍼덕일 때마다 물을 끌고 다니게 돼요. 수면을 박차고 나온 뒤 날개에서 물기가 빨리 빠져야 공중 비행으로 자연스럽게 이어지니, 이 코팅은 앞서 말한 전환 구간을 겨냥한 설계로 읽힙니다.

물을 박차고 오른 조합은 중간 크기 날개와 70도 피치

실험은 MIT 기계공학과 라파엘 주페레이(Raphael Zufferey) 조교수가 이끄는 팀이 수조와 제네바 호수에서 진행했어요. 찾으려던 건 분명했습니다. 헤엄치던 로봇이 매끄럽게 날아오르게 만드는 날개 크기, 날갯짓 주파수, 꼬리 각도의 조합이요. 원문에 나온 결과를 변수별로 묶으면 아래와 같아요.

변수	로봇에서 맡는 역할	실험에서 확인된 점
날개 크기·유연성	물속 헤엄과 공중 비행을 모두 담당	중간 크기 날개가 가장 좋은 결과. 물속에서는 진폭을 줄일 만큼 유연하고, 공중에서는 기체를 띄울 만큼 단단함
날갯짓 속도·주파수	크랭크축이 미리 정한 주파수로 날개를 위아래로 구동	실제 새가 쓰는 속도·주파수와 비슷한 수준
피치(기울기) 각도	모터 구동 꼬리로 각도를 바꿔 상승·잠수를 조절	70도라는 비교적 가파른 피치에서 물→공기 도약
발	장착하지 않음 (많은 잠수 조류는 이륙 때 발을 저어 힘을 보탬)	발 없이도 수면에서 이륙 가능

제일 눈에 띄는 건 날개입니다. ‘크면 공중에 유리하고 작으면 물속에 유리하다’는 단순한 맞교환으로 끝나지 않았어요. 둘 사이에 다리를 놓은 건 유연성이었습니다.

• 물속: 날개가 휘면서 날갯짓 폭(진폭)이 줄어듦
• 공중: 같은 날개가 기체를 띄울 만큼의 단단함을 유지

재료의 성질이 두 환경에 맞춰 움직임을 조절해 준 셈이죠. 날개 모양을 바꾸는 복잡한 장치 없이도 이중 역할이 가능했던 이유로 보입니다.

날갯짓 속도와 주파수는 실제 새가 쓰는 범위와 비슷한 수준에서 좋은 결과가 나왔어요. 바닷새의 움직임을 본뜬 설계가 기계에서도 통했다는 뜻입니다. 생체모방 로봇이 왜 굳이 자연을 참고하는지 보여 주는 사례로 읽을 만하고요.

70도는 꽤 가파른 각도예요. 물을 박차고 나올 때 기체를 상당히 세운 자세가 필요했다고 해석할 수 있습니다. 다만 이 숫자가 기체 전체의 자세를 말하는지, 꼬리 자체의 각도를 말하는지는 원문만으로 갈리지 않아서 해석은 거기까지가 안전합니다.

의외의 결과는 발 쪽에서 나왔어요. 많은 잠수 조류는 수면에서 이륙할 때 발로 물을 차서 힘을 보태는데, 이 로봇은 발이 전혀 필요 없었습니다. 왜 그런지는 원문에도 자세한 분석이 없어요. 날개와 꼬리 조합만으로 이륙에 필요한 추진력과 자세 제어가 충분히 나왔다고 보는 게 가장 자연스러운 추정입니다. 방수 처리해야 할 구동부가 하나 줄어드는 셈이니, 실제 운용에서도 손해 볼 게 없는 결과고요.

날아가서 잠수하고, 돌아와 데이터를 넘기는 해양 관측 드론

연구진이 그리는 쓰임새는 꽤 구체적이에요. 해양학자나 해양생물학자, 해안 지역 주민이 배 위나 해안에서 로봇을 띄우는 장면에서 시작합니다.

• 이동: 빙산이나 항만 시설, 고래 무리 위처럼 살펴볼 지점 가까이 날아감
• 관측: 물속으로 뛰어들어 측정하거나 샘플을 채취
• 복귀: 다시 날아올라 데이터를 전달
• 반복: 또다시 잠수하러 출발

주페레이 교수가 강조한 건 비용이에요. 이 과정을 기존 방식 비용의 일부만으로 해낼 수 있다는 것. 그런데 ‘일부’가 어느 정도인지는 숫자로 나오지 않아서, 지금 단계에선 방향 제시 정도로 받아들이는 게 맞습니다.

이 그림이 왜 중요한지는 그가 짚은 해양 과학의 숙제에서 드러나요. 데이터를 자주, 그리고 여러 장소에서 모으는 일이 해양 과학의 큰 과제 중 하나라는 겁니다. 그는 이런 로봇이라면 일주일에 한 번이 아니라 한 시간마다 내보낼 수도 있다고 설명했어요. 빠르게 날아가 잠수하고, 돌아와 데이터를 넘긴 뒤 다시 나가는 일을 여러 번 되풀이할 수 있다는 얘기죠. 기존 선박이 들어가기 위험한 수역까지 닿을 수 있다는 점도 연구진이 꼽은 장점입니다.

개념으로 보면 ‘날아서 가고, 잠수해서 재고, 날아서 돌아오는’ 왕복형 관측이에요. 기존 두 방식과 나란히 놓으면 차이가 선명해집니다.

방식	잘하는 것	걸리는 부분
공중 드론	빠른 이동	물속을 직접 들여다보기 어려움
물속 로봇	물속을 직접 다니며 관측	배가 현장 근처까지 실어다 줘야 하는 경우가 많음
FAAV 같은 공중·수중 드론	날아서 이동하고 잠수해서 관측	방향 전환, 거친 파도·바람 속 성능은 아직 검증 전

두 방식의 장점을 한 기체에 묶으려는 접근. 공중·수중 드론이라는 분야 전체를 이해할 때도 이 한 줄에서 출발하면 됩니다.

한국에선 소비자 제품보다 항만·연안 관측 쪽 이야기

선을 먼저 그어 두겠습니다. FAAV는 수조와 호수에서 시험한 연구 단계의 기체예요. 한국 사용자가 손에 쥐거나 직접 띄워 볼 수 있는 물건이 아니고, 일반 소비자 입장에서 당장 바뀌는 건 없습니다.

달라질 여지가 있는 쪽은 바다를 다루는 연구·현장 업무입니다. 아래 내용은 원문의 쓰임새를 한국 상황에 대입해 본 추측이라는 점을 감안해 주세요.

• 항만·연안 시설 점검(추측): 원문이 직접 항만 시설을 예로 든 만큼, 바다와 맞닿은 항만·연안 시설이 많은 한국에서도 물 위와 물 아래를 한 번에 살피는 점검 수단으로 검토될 수 있어 보여요.
• 짧은 주기의 연안 관측(추측): 한 시간 단위로 띄울 수 있다는 아이디어는 적조나 수온 변화처럼 짧은 시간에 달라지는 연안 현상을 추적하는 데 잘 맞을 수 있어요. 다만 어떤 센서를 실을 수 있는지는 원문에 나오지 않아 실제 적용 가능성은 판단하기 어렵습니다.
• 비행 규정 문제(추측): 한국에서 바다 위에 드론을 띄우려면 기존 드론 비행 규정을 따라야 할 텐데, 물에 들어갔다 나오는 기체를 어떻게 분류하고 관리할지는 이 글에서 확인할 수 없는 부분이에요.

한국에서 체감할 변화가 있다면 소비자 제품이 아니라 해양 조사 방식의 선택지가 하나 늘어나는 쪽일 겁니다. 배를 띄우는 횟수는 줄이고 관측 주기는 촘촘하게 가져가는 운용이 실제로 가능할지는 다음 단계 시험 결과에 달려 있어요.

확인된 것과 아직 불확실한 것

확인된 것

• MIT와 스위스 로잔의 EPFL 연구진이 날갯짓 방식의 공중·수중 비행체 FAAV를 설계했다.
• 무게는 300g 미만이고, 동체(배터리·방수 전기 모터·크랭크축), 유연한 날개 두 장, 모터로 각도를 바꾸는 꼬리로 구성된다.
• 날개는 얇은 막에 소수성 나노입자를 코팅해 물기를 털어내도록 만들었다.
• 수조와 제네바 호수 실험에서 중간 크기 날개, 실제 새와 비슷한 속도·주파수, 70도 피치 조합으로 물→공기 전환이 가능했다.
• 많은 잠수 조류와 달리 로봇은 발 없이도 수면에서 이륙했다.

아직 불확실한 것

• 비행·잠수 지속 시간, 배터리 용량, 도달 가능한 수심 같은 운용 수치는 원문에 나오지 않는다.
• 70도 피치가 기체 전체 자세를 뜻하는지, 꼬리 자체의 각도를 뜻하는지는 원문만으로 구분하기 어렵다.
• 측정 센서나 샘플 채취 장치를 어떻게 실을지는 소개되지 않았다.
• ‘기존 방식 비용의 일부’라는 비용 절감 폭은 구체적인 수치로 제시되지 않았다.
• 방향 전환 능력과 파도·바람 속 성능은 검증 전이며, 실제 해양 현장에 언제 투입될지도 정해지지 않았다.

다음 관문은 방향 전환, 그리고 파도·바람

연구진이 밝힌 다음 과제는 두 갈래입니다.

• 방향 전환: 위아래로 퍼덕이는 것뿐 아니라 방향도 틀 수 있는 날개 설계
• 거친 환경 시험: 출렁이는 물에서 헤엄치고 바람을 뚫고 날 때도 성능이 유지되는지 확인

첫 번째 과제는 지금 구조를 보면 이해가 됩니다. 원문에 소개된 방식은 크랭크축이 정해진 주파수로 날개를 위아래로 움직이는 구조예요. 빙산이든 고래 무리든 원하는 지점까지 자유롭게 찾아가려면 선회 능력이 빠질 수 없어 보입니다.

두 번째 과제는 시험 장소를 보면 이해가 돼요. 수조와 호수는 대체로 바다보다 잔잔한 조건입니다. 실제 바다에 투입하려면 반드시 넘어야 할 단계로 보이고, 연구진은 이 두 관문을 넘은 뒤 기체를 해양 과학의 실제 질문을 푸는 데 투입하겠다는 목표를 갖고 있어요.

공중·수중 드론 소식이 또 나오면 세 가지만 따져 보면 됩니다.

• 물과 공기 사이 전환이 얼마나 매끄러운가
• 추진 장치를 얼마나 단순하게 묶었나
• 파도와 바람 같은 실제 환경을 견디는가

FAAV는 앞의 두 질문에 의미 있는 답을 내놨어요. 세 번째 칸은 아직 비어 있고, 그 칸은 다음 시험 결과로 채워질 겁니다.

출처: MIT Tech Review AI