토요타 연구진, 곤충 크기의 드론 개발
토요타 중앙연구개발연구소(Toyota Central R&D Labs)의 연구진이 무선 고주파 기술로 작동하는 곤충 크기의 날갯짓 비행 로봇을 개발했습니다. 이 드론은 Nature Electronics에 게재된 논문에 소개되었으며, 킬로그램당 4900와트의 비출력을 가진 고주파 에너지 수신기를 기반으로 합니다.
“소형 드론은 전원 공급 방식 때문에 보통 작동 시간이 매우 짧습니다. 이번 연구의 목표는 이러한 한계를 극복하는 것이었습니다. 현재 전자기파를 이용한 비접촉 전원 공급 방식은 다양한 제품에서 실용화되고 있지만, 작은 비행 로봇에 얼마나 적용될 수 있는지는 알려져 있지 않았습니다”
오자키와 동료들의 주된 목표는 비접촉 무선 충전 기술로 곤충 크기의 비행 로봇을 구동하는 것이었습니다. 연구진이 만든 로봇은 기본적으로 5GHz 다이폴 안테나에서 전력을 공급받는 진동형 압전 액추에이터로 구성되어 있습니다.
"곤충 크기의 비행체는 통신, 환경 탐사, 밀폐 공간 조사에 유용한 도구입니다. 그러나 고출력 밀도를 가진 가벼운 배터리가 없어 이러한 초소형 비행체의 비행 시간이 제한되어 왔습니다. 고주파 전자기파를 이용한 무선 전력 전송은 장애물 투과, 파동 유도 및 집속 가능성, 그리고 위상 배열 안테나를 통한 기계적 구동 없는 비행체 제어를 잠재적으로 가능하게 합니다. 하지만 고주파 전력 전송의 활용은 지금까지 더 큰 비행체에 국한되어 왔습니다"라고 연구에는 기술되어 있습니다.
“로봇의 핵심 특징 중 하나는 고효율 날갯짓 구동입니다. 이는 강력한 단결정 압전 소재와 두 날개가 손뼉을 치듯 서로 마주 보도록 배치한 저손실 구조를 통해 구현되었습니다. 이 설계는 살아 있는 곤충의 효율에 필적하는 출력 대 중량 비율을 제공합니다”
초소형 로봇을 만들려는 엔지니어들이 직면하는 핵심 문제는 전력 손실로 인한 열 폭주입니다. 이를 해결하기 위해 오자키와 동료들은 발열 부품들이 서로 가깝거나 인접하게 놓이지 않도록 로봇의 회로 설계를 최적화했습니다.
또한 연구진은 같은 질량의 일반 리튬폴리머 배터리보다 비출력이 훨씬 높은 고주파 에너지 수신기를 사용했습니다. 이로 인해 로봇의 효율과 작동 시간이 크게 향상되었습니다.
“제가 생각하기에 가장 중요한 발견은 0.5그램 미만의 회로가 고주파 전파를 통해 거리에서 1와트가 넘는 고출력을 수신하고 처리할 수 있다는 점입니다. 이는 비행 로봇뿐만 아니라 작은 크기에서 고출력이 필요한 다른 다양한 기기도 배터리 없이 구현될 수 있음을 의미합니다”
설계의 효율성을 평가하기 위해 오자키와 동료들은 일련의 실험을 진행했습니다. 이 테스트에서 연구진은 곤충 크기의 로봇이 배터리나 전선 없이 부드럽게 이륙하도록 만들 수 있었습니다.
이 연구팀이 만든 로봇의 무게는 1.8그램에 불과해, 과거에 개발된 다른 고주파 구동 초소형 비행체보다 25배 넘게 가볍습니다. 따라서 향후 균열, 파이프 또는 기타 매우 제한된 공간에 진입하는 복잡한 작업에 매우 유용하게 쓰일 수 있습니다.
“이번 글에서 우리는 이륙 시연에 성공했습니다. 다음 단계는 이 전력 공급 기술과 자세 제어 기술을 결합해 이 로봇이 공중에 정지하고 자유롭게 이동하도록 만드는 것입니다. 이미 유선 전원으로 로봇의 위치를 제어하는 데 성공했기 때문에 기술적으로 가능하다고 봅니다”
마이크로 비행체(MAV)는 환경 탐지, 통신, 수색 및 구조, 그리고 밀폐되거나 위험한 구역의 자율 점검 등에 활용될 수 있습니다. 그러나 사고 위험 때문에 이런 장치에 대한 규제가 강화되고 있습니다. 예를 들어 미국에서는 무게가 250g을 넘는 드론을 등록해야 하며, 드론 비행 구역도 엄격하게 제한되어 있습니다.
일본도 최근 소형 드론의 기준 무게를 200g에서 100g으로 낮추겠다고 발표했습니다. 특히 추락하는 비행체의 충돌 에너지는 질량에 크게 좌우되기 때문에, 곤충 크기의 가벼운 장치를 설계하고 개발하면 MAV의 안전성을 높일 수 있습니다.
연구진은 곤충 무게 수준의 완전히 기능하는 구속 없는 MAV를 차량 설계 최적화와 새로운 기능 추가를 통해 구현할 수 있다고 봅니다. 여기에는 비행 제어 시스템 통합과 전력 전송기를 위한 빔 집속 및 조준 시스템 사용이 포함됩니다.
