프랑스의 CNRS(Institut des Sciences du Mouvement - Etienne-Jules Mare) 대학 바이오로보틱스 연구원들은 최초로 가속도계 센서 없이 시각적 방법으로 불규칙한 장애물을 피하여 비행할 수 있는 비행 로봇을 개발하였다. BeeRotor라 불리는 이 비행 로봇은 곤충의 눈을 모방한 광학적 흐름 센서(optic flow sensor)의 도움을 받아 장애물을 피하고 속도를 조절할 수 있다. 또한 속도나 고도의 측정 없이도 움직이는 장애벽이나 일정하지 않은 터널 속을 비행할 수 있다.

이 연구는 2015년 2월 26일 과학저널 ‘생물영감 및 생체모방공학’(Bioinspiration & Biomimetics)’ 에 발표되었다. 

지금까지 드론부터 우주발사체까지 아우르는 모든 항공기에는 가속도계를 내장한 관성측정장비가 장착되었다. 이 장비는 항공기가 수평선 또는 지구 수직선을 기준으로 좌우 및 상하의 움직임을 안정화시키는 역할을 한다. 또한 가속도계 센서는 지구중심 방향의 중력을 포함한 항공기의 가속도를 측정하고 적분하여 항공기의 움직임을 계산한다. 하지만 곤충들은 이러한 기본 도구 및 정보 없이도 하늘을 안전하게 날 수 있다.

따라서 연구자들은 날개 달린 곤충에서 영감을 얻어 BeeRotor를 개발하였다. 처음에는 비행체를 매달아 속도, 고도 및 가속도의 측정 없이 장애물을 따라 속도를 조절하는 것부터 시작하였다. 길이 47cm, 무게 80g의 비행체는 움직이는 벽 터널 안에서 수직 장애물을 스스로 피할 수 있었다. 이를 위해서 연구자들은 곤충들이 땅 위를 어떻게 나는지를 모방하였다. 이것은 광학적 흐름(optical flow)이라고 하는데, 자동차 도로를 따라 운전할 때 쉽게 관찰되는 원리이다. 즉, 전방의 시야가 안정되고 주변시로 바라볼 때 움지이는 방향의 90도 각도에서 풍경이 최대로 빠르게 지나가는 현상이다.

광학적 흐름을 측정하기 위해서, BeeRotor에 24개의 단순 포토다이오드를 장착하여 눈의 위와 아래에 배치하였다. 이는 움직임뿐만 아니라 주변 환경의 대비를 측정할 수 있다. 곤충들에게는 한 픽셀에서 다른 픽셀로 움직이는 풍경의 속도는 흐름의 가속도를 의미한다. 이러한 흐름이 증가한다는 것은 로봇의 속도가 증가하는 것이고 장애물과의 상대적 거리는 줄어드는 것을 의미한다.

BeeRotor의 로직은 3개의 피드백 루프를 가지고 있는데, 이것은 직접 광학적 흐름의 사용할 수 있는 3개의 다른 반사작용 역할을 한다. 첫 번째 피드백은 고도를 변경하는 것으로 바닥이나 지붕을 따라 고도를 바꾼다. 두 번째 피드백은 비행체가 지나가는 터널의 크기에 적응하기 위한 속도를 조절한다. 세 번째 루프는 전용 모터를 이용하여 장애물 비탈면을 따라 눈을 안정화시키는 역할을 한다. 이것은 로봇의 눈이 경사에 상관없이 가장 최상의 시야각을 갖도록 한다. 따라서 BeeRotor는 속도, 고도 및 가속도의 측정 없이도 급경사진 장애물도 피할 수 있다.

BeeRotor로 어떻게 곤충들이 가속도계 없이도 하늘을 나는지 생물학적 가설을 세울 수 있게 되었다. 즉, 날개 달린 곤충들은 로봇에 사용된 피드백 루프 방식의 도움을 받아 안정적인 비행을 위해 광학적 흐름 정보를 이용한다는 것이다. 

이것은 산업체에서도 사용 가능하다. 가속도계 그리고 이것을 내장하는 관성측정 시스템은 매우 작은 로봇에게는 꽤 무거우며 부피가 크다. 1g 단위의 로봇, 예를 들어 파이프를 점검하는 10g의 작은 로봇에 사용하기에는 적절하지 않다. 또한 무게 단위 당 엄청난 비용이 드는 우주산업에서도 매우 가벼운 것이 요구된다. 가속도계를 대체하지 않으면서 광학적 흐름 센서(optic flow sensors)는 우주 미션에서 장비 고장을 대체할 수 있는 초경량 백업 시스템으로도 사용될 수 있을 것이다. 

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』