스탠퍼드 연구진, 정밀 착륙이 가능한 새형 로봇 개발

눈송이처럼 똑같은 나뭇가지는 없다. 크기, 모양, 질감이 제각각이며, 젖어 있거나 이끼가 덮여 있거나 잔가지가 무성할 수도 있다. 그런데 새들은 거의 모든 종류의 나뭇가지에 앉을 수 있다. 이 능력은 스탠퍼드 대학 마크 컷코스키(Mark Cutkosky)와 데이비드 렌틱(David Lentink, 현재 네덜란드 흐로닝언 대학 소속) 연구실의 큰 관심을 끌었다. 두 연구실 모두 동물의 능력에서 영감을 받은 기술을 개발해 왔다.

“새들의 비행과 착륙을 모방하기란 쉽지 않다”라고 2020년 박사 졸업생이자 두 연구실에서 대학원생으로 연구한 윌리엄 로더릭(William Roderick)은 말한다. “수백만 년의 진화를 거치며 새들은 숲속의 복잡하고 다양한 나뭇가지에서도 이착륙을 너무나 쉽게 해낸다.”

컷코스키 연구실의 동물 모방 로봇 연구와 렌틱 연구실의 새 모방 항공 로봇 연구가 수년간 축적되면서 연구진은 자체 착륙 로봇을 만들 수 있었다. 쿼드콥터 드론에 장착하면 ‘스테레오타입 자연 모방 항공 그래스퍼(SNAG, Stereotyped Nature-inspired Aerial Grasper)’가 되는데, 이 로봇은 비행하며 물체를 잡고 운반할 뿐 아니라 다양한 표면에 착륙할 수 있다. 연구진은 이 기술의 범용성을 보여주기 위해 새 발가락 배열 유형을 비교하고, 오리건주의 외딴 숲에서 미기후를 측정하는 데 활용했다.

이전 연구에서 연구진은 앵무새 중 두 번째로 작은 종인 패럿렛(parrotlet)을 관찰했다. 이 작은 새들은 다섯 대의 고속 카메라로 촬영되는 가운데 다양한 크기와 재질(나무, 폼, 사포, 테플론)의 특수 착륙대 사이를 오갔다. 착륙대에는 센서가 장착되어 새들의 착륙, 착지, 이착륙 시 물리적 힘을 측정했다.

“놀랍게도 새들은 착륙 표면이 무엇이든 동일한 공중 기동을 수행했다”라고 논문 제1저자인 로더릭은 말한다. “발이 표면 질감의 변동성과 복잡성을 스스로 처리하도록 맡긴 것이다.” 모든 새 착륙에서 보이는 이 공식적인 행동이 SNAG의 ‘S’(stereotyped, 전형적인) 의미를 부여한다.

패럿렛처럼 SNAG도 매번 같은 방식으로 착륙에 접근한다. 하지만 쿼드콥터 크기를 감안해 SNAG의 다리는 송골매(peregrine falcon) 다리를 모델로 했다. 뼈 대신 20번의 반복 끝에 완성된 3D 프린팅 구조가 쓰이고, 모터와 낚싯줄이 근육과 힘줄을 대신한다.

각 다리에는 앞뒤 움직임을 위한 모터와 움켜쥐기를 위한 모터가 각각 하나씩 있다. 새 발목 주변으로 힘줄이 지나가는 방식에서 영감을 받아 로봇 다리에도 유사한 메커니즘을 적용, 착륙 충격 에너지를 흡수하고 수동적으로 쥐는 힘으로 변환한다. 그 결과 20밀리초 만에 작동하는 강력하고 빠른 클러치 시스템을 갖게 되었다. 나뭇가지를 감싸면 발목이 잠기고 오른쪽 발의 가속도계가 착륙을 감지해 균형 알고리즘을 작동시켜 안정화한다.

코로나19 기간 동안 로더릭은 렌틱 연구실의 장비(3D 프린터 포함)를 스탠퍼드에서 오리건 시골로 옮겨 지하 실험실을 꾸렸다. 그곳에서 레일 시스템으로 SNAG를 다양한 표면, 속도, 자세로 발사해 성능을 테스트했다. 고정된 상태에서 먹이 모형, 콩주머니, 테니스 공 등 손으로 던진 물체를 잡는 능력도 확인했다. 마지막으로 인근 숲에서 실제 환경 테스트를 진행했다.

전반적으로 SNAG의 성능이 매우 우수해 향후 개발은 착륙 전 단계, 즉 상황 인식과 비행 제어 개선에 집중될 전망이다.

활용 분야

이 로봇의 활용 가능성은 무궁무진하다. 수색·구조, 산불 감시 등에 쓰일 수 있으며 드론 외 다른 기술에도 부착 가능하다. 새와 유사한 특성 덕분에 조류 생물학 연구에도 독특한 통찰을 제공한다. 예를 들어 연구진은 두 가지 발가락 배열(송골매 같은 조족형(anisodactyl, 앞세 개 뒤한 개)과 패럿렛 같은 대향형(zygodactyl, 앞두 개 뒤두 개))로 로봇을 구동했는데, 놀랍게도 성능 차이가 거의 없었다.

생물학자인 부모를 둔 로더릭에게 SNAG의 가장 흥미로운 응용 분야는 환경 연구다. 연구진은 온습도 센서를 로봇에 부착해 오리건 숲의 미기후를 기록했다.

“이 연구의 근본적 동기는 자연 세계를 연구하는 도구를 만드는 것”이라고 로더릭은 말한다. “새처럼 행동하는 로봇이 있다면 환경을 연구하는 완전히 새로운 방식이 열릴 것이다.”