스탠퍼드 엔지니어들, 새 발 드론 개발…나뭇가지에 앉고 물건 운반
세상에 똑같은 나뭇가지는 없습니다. 크기, 모양, 질감이 저마다 다르고, 어떤 가지는 젖어 있거나 이끼나 새싹으로 뒤덮여 있기도 합니다. 그럼에도 새들은 거의 어떤 가지에든 내려앉을 수 있습니다.
이 능력은 스탠퍼드 대학교 엔지니어 마크 캐트코스키와 데이비드 렌팅크의 연구실에서 큰 관심을 끌었습니다. 현재 두 사람은 네덜란드 흐로닝언 대학교에서 연구하고 있습니다. 두 사람은 이전에도 동물의 능력에서 영감을 받은 기술을 개발해 왔습니다.
“새가 날아다니고 표면에 내려앉는 방식을 모방하는 것은 쉽지 않습니다. 수백만 년의 진화를 거치면서 새들은 숲에서 볼 수 있는 복잡하고 다양한 나뭇가지 위에서도 이착륙을 매우 가볍게 해냅니다”
수년간 캐트코스키 연구실의 동물에서 영감을 받은 로봇과 렌팅크 연구실의 새에서 영감을 받은 공중 로봇에 대한 연구를 통해, 연구진은 자체 새 모양 드론을 만들 수 있었습니다. 이 드론은 Science Robotics 저널에 자세히 소개되었습니다. 쿼드콥터에 '발'이 부착되면, 이들의 '정형화된 공중 파지', 즉 SNAG은 날고, 잡고, 물건을 옮기고, 다양한 표면에 착륙할 수 있는 로봇을 만들어 냅니다.
이 연구의 잠재적 다용도성을 보여주면서, 연구진은 이를 이용해 새 발가락의 여러 배열 방식을 비교하고, 오리건주 외딴 숲의 미기후를 측정했습니다.
앞선 앵무새 연구에서 작은 새들이 특수 횃대 사이를 오가며 날았고, 고속 카메라 다섯 대가 이를 촬영했습니다. 나무, 폼, 사포, 테플론 등 다양한 크기와 재질의 막대에는 착륙, 내려앉기, 이륙과 관련된 물리적 힘을 감지하는 센서도 설치되어 있었습니다.
“놀라웠던 점은 새들이 어떤 표면에 내려앉든 같은 공중 동작을 수행했다는 것입니다. 이것은 발이 표면 질감 자체의 다양성과 복잡성에 대응할 수 있게 해 줍니다”
새가 착륙할 때 보이는 이 정형화된 행동이 SNAG의 S가 '정형화된(stereotypic)'을 뜻하는 이유입니다. 앵무새와 마찬가지로 SNAG도 모든 표면에 같은 방식으로 접근합니다. 다만 쿼드콥터의 크기를 고려해 SNAG은 참매(맹금류 매과)의 다리를 바탕으로 설계되었습니다. 뼈 대신 3D 프린터로 출력한 구조를 사용했으며, 이를 완성하는 데 20번의 시도가 필요했습니다. 근육과 힘줄을 대신하는 모터와 낚싯줄도 함께 사용됩니다.
각 다리에는 앞뒤로 움직이기 위한 모터가 하나씩 있고, 잡기 위한 모터가 또 하나 있습니다. 새의 발목 주위를 지나는 힘줄에서 영감을 받은 유사한 메커니즘이 로봇 다리에서 착륙 충격 에너지를 흡수해 수동적으로 파지력으로 전환합니다. 그 결과 로봇은 특히 튼튼하고 빠른 클러치를 갖게 되며, 20밀리초 안에 작동합니다. 나뭇가지를 감싸면 SNAG의 발목 잠금장치와 오른쪽 다리의 가속도계가 로봇이 착륙했음을 알리고, 로봇을 안정시키는 균형 알고리즘을 작동시킵니다.
코로나19 팬데믹 기간 동안 로데릭은 3D 프린터를 포함한 장비를 스탠퍼드의 렌팅크 연구실에서 오리건 시골로 옮겼고, 그곳에서 통제된 테스트를 위한 지하 실험실을 마련했습니다. 그곳에서 그는 레일 시스템으로 SNAG을 다양한 표면 위에서 정해진 속도와 방향으로 움직이게 하여, 여러 상황에서 어떻게 작동하는지 살펴보았습니다.
SNAG을 제자리에 설치한 뒤 로데릭은 로봇이 손으로 던진 물체를 잡을 수 있음도 확인했습니다. 여기에는 사냥용 더미 인형, 옥수수 콩 주머니, 테니스공이 포함되었습니다. 마지막으로 로데릭과 SNAG은 실제 환경에서 몇 차례 시험 비행을 하기 위해 인근 숲으로 나섰습니다.
전반적으로 SNAG은 매우 잘 작동해서, 앞으로의 개발은 착륙 직전에 일어나는 일에 집중될 가능성이 큽니다. 예를 들어 상황 인식과 로봇의 비행 제어를 개선하는 것입니다.
이 로봇 장치는 수색 및 구조 작업, 산불 감시 등 무수히 많은 용도로 활용될 수 있습니다. 드론 외의 다른 기술과 함께 사용할 수도 있습니다. SNAG이 새와 가깝다는 점은 새의 생물학에 대한 독특한 통찰을 제공합니다.
예를 들어 연구진은 두 가지 서로 다른 발가락 배열로 로봇을 작동시켰습니다. 하나는 참매처럼 앞에 세 개, 뒤에 한 개인 이형지(anisodactyl), 다른 하나는 앵무새처럼 앞에 두 개, 뒤에 두 개인 대칭지(zygodactyl)입니다. 놀랍게도 두 방식 간 성능 차이는 매우 작았습니다.
부모가 모두 생물학자인 로데릭에게 SNAG의 가장 흥미로운 응용 분야 중 하나는 환경 연구입니다. 이를 위해 연구진은 로봇에 온습도 센서도 부착했고, 로데릭은 이를 이용해 오리건의 미기후를 기록했습니다.
“이 연구의 주된 동기 중 일부는 자연 세계를 연구하는 데 사용할 수 있는 도구를 만드는 것이었습니다. 새처럼 행동할 수 있는 로봇이 있다면, 환경을 연구하는 완전히 새로운 방법을 열어줄 것입니다”
논문의 책임저자인 렌팅크는 수년이 걸리는 이 프로젝트에서 보여준 로데릭의 끈기를 높이 평가했습니다.
“사실 6년 전 버클리에서 여러 생태학자와 이야기를 나누고, 이후 환경 모니터링을 위한 공중 로봇 배치에 관한 NSF 장학금 연구를 쓴 윌이 이 연구를 시작한 계기가 되었습니다. 윌의 연구는 시기적으로 딱 맞았습니다. 현재 XPRIZE가 열대 우림 생물다양성 모니터링 과제에 1000만 달러를 내걸었기 때문입니다”
