건국대학교 스마트운행체공학과 박훈철 교수
Q. 귀하에 대한 소개.
A. 건국대학교 KU융합과학기술원 스마트운행체공학과 교수이자 국가지정연구실(2007년 과학기술부 지정)인 ‘생체모사 및 지능형 마이크로시스템 연구실’을 이끌고 있다.
Q. 생체모방로봇 연구를 시작하게 된 계기는 무엇인가.
A. 항공우주공학을 전공하면서 원래 비행체에 대해 많은 관심을 가지고 있었다. 특히 접혔던 날개를 펼치며 비행하는 무당벌레의 비행 모습을 공학적 관점에서 재현하고 싶다는 관심이 생체모방로봇 연구를 시작하게 된 계기다.
곤충 중에서 날개를 접고 펴는 종은 풍뎅이류 뿐이다. 처음에는 생물학자들의 연구자료를 통해 풍뎅이류 곤충을 분석했다. 이후 효율적인 비행을 위해 날개를 접는 행위 대신, 날개짓의 궤적을 분석해 이를 구현하는 방식으로 연구를 진행했다.
건국대학교 연구팀이 개발한 장수풍뎅이 로봇(사진. 로봇기술)
Q. 그간 진행해온 연구에 대해 소개하자면.
A. 2000년대 초 인공근육센터 지원 사업을 통해 스마트 압전(壓電)소재와 변위 증폭 메커니즘을 조합하기 위한 연구를 진행한 바 있다. 초기에는 이 기술을 생체모방로봇에 접목하려 했지만 기술적 한계가 있었다. 이후 2007년 국가지정연구실사업이 시작되면서 본격적으로 장수풍뎅이 모방 연구를 시작했고, 2012년 해당 사업 막바지에 장수풍뎅이로봇 비행에 성공했다.
이후 본격적으로 비행하는 장수풍뎅이로봇의 제어 비행에 대해 연구했고, 2016년에 처음으로 40초가량 제어 비행에 성공했다. 현재는 약 3분가량 비행이 가능하다.
Q. 연구에 있어 어떤 난제들이 있었나.
A. 연구를 시작할 당시 생체모방로봇에 대한 분위기가 지금처럼 활발하지 않았다. 참고할 자료가 전혀 없던 상황에서 생물학자들의 연구 자료들을 탐독하며 연구를 진행했다. 대부분의 기초연구들을 직접 진행해야 되는 상황에서 많은 과제들이 있었다. 예를 들어, 한 방향으로 회전하면서 관성력을 얻는 프로펠러와 달리, 풍뎅이류 곤충의 날갯짓은 앞뒤로 퍼덕일 때마다 관성저항을 이겨내야 한다. 또한 날갯짓 시 날개가 비틀어지는 풍뎅이의 특징을 분석하고, 이를 모방하기 위해 메커니즘을 고안하는 작업도 처음부터 시작해야 했다.
제어 비행에 있어서도 고민이 많았다. 꼬리날개를 이용해 방향을 전환하는 조류와 달리 곤충은 날갯짓의 궤적을 변형해 방향과 자세를 제어한다. 또한 서보모터나 배터리를 추가했을 때, 늘어난 무게를 이기기 위해 어떻게 더 큰 추력을 발생시킬 것인지도 숙제였다.
비행 중인 장수풍뎅이 로봇(사진. 국민대학교)
Q. 기술적 난제를 어떻게 해결했나.
A. 곤충의 경우, 앞뒤로 날개를 퍼덕일 때 발생되는 와류를 이용하는 메커니즘이 있다. 우리는 이 메커니즘에 주목, 날갯짓 시 더 높은 추력을 낼 수 있도록 날갯짓 각도를 190°까지 넓혔다.
또한 꼬리날개 없이 방향을 전환하는 풍뎅이의 메커니즘을 파악하기 위해 초고속카메라로 날갯짓의 궤적을 모방하고, 수많은 시도를 통해 자세를 제어할 수 있는 궤적을 만들었다.
현재 날갯짓을 이용한 20g급 비행체 중 가장 선두에 선 로봇은 에어로바이먼트社의 나노허밍버드다. 우리 큰 날갯짓을 발생시키는 날갯짓 장치에 대한 관련 특허를 이 회사와 거의 동시에 획득했다.
Q. 앞으로의 연구 방향은.
A. 이제 기초연구를 진행한 단계로, 아직까지 개발의 여지가 굉장히 많이 남아 있다. 제어 비행에 성공한 이후 현재 우리 연구팀의 화두는 ‘효율’이다. 보다 오랫동안 공중에서 제어 비행을 하기 위해 연구하고 있다.
비행 효율을 높이기 위해 우리는 어떻게 공기력을 효과적으로 활용할 것인가를 고민하고 있다. 예를 들어 현재 왕복 운동하는 날갯짓에서 발생된 관성력을 다시 활용하는 방법 등이다. 덧붙여 보다 소형화된 배터리나 서보모터의 수급 등 다양한 요소가 필요하다.
