글. 이경희 사진. 챗GPT, shutterstock
출처. 동아사이언스, 한국방위산업학회, YTN사이언스, 위키백과
오늘날 항공공학자들이 주목하는 생명체, 바로 잠자리입니다. 후진비행, 90도 급선회 등 헬리콥터나 고정익 항공기가 흉내 내기 힘든 잠자리의 비행 능력은 어떤 정밀한 기계보다 효율적이지요. 잠자리를 모방한 초소형 비행체가 그리는 미래 전장의 모습을 살펴봅니다.
약 3억 년 전 고생대 석탄기에 처음 등장한 잠자리는 항공공학의 살아 있는 교과서다. 몸길이의 몇 배나 되는 4개의 날개를 따로따로 움직이며 급선회, 급상승, 공중 정지(호버링)를 자유자재로 해내는 모습은 절로 감탄을 불러일으킨다. 인간의 기술을 뛰어넘는 이 곡예비행의 비밀은 날개 표면의 미세한 주름과 앞쪽에 쏠린 무게중심에 있다.
현미경으로 보면 잠자리 날개는 매끈하지 않고 촘촘한 주름이 잡혀 있다. 이 주름은 공기 흐름을 잘게 쪼개 날개 표면에 작은 소용돌이를 만든다. 덕분에 느리게 날거나 갑자기 방향을 바꿀 때 비행기가 양력을 잃고 추락하는 실속(Stall) 현상을 막아준다.
4개의 날개를 독립적으로 제어하는 기술도 독보적이다. 앞날개와 뒷날개를 같이 움직이는 다른 곤충과 달리, 잠자리는 개별 날개의 각도와 움직이는 타이밍을 자유롭게 조절한다. 앞날개가 만든 기류를 뒷날개가 이어받아 양력을 높이는 위상차 비행 덕분에 전후좌우 어디든 무리 없이 이동한다. 날개가 붙은 가슴에 무게중심이 있어 적은 힘으로도 몸을 빠르게 회전한다.
각국의 국방 연구기관과 항공우주 스타트업은 이 원리를 적용한 초소형 비행체, 이른바 MAV(Micro Air Vehicle) 개발에 속도를 내고 있다. 손바닥보다 작으면서도 강한 바람을 뚫고 나아가는 잠자리형 드론은 건물 내부나 험준한 산악 지형처럼 기존 드론이 가기 힘든 곳을 은밀히 감시할 차세대 정찰 자산으로 꼽힌다.
잠자리의 비행 원리를 공학으로 구현하는 시도는 이미 전 세계에서 활발하다. 곤충형 MAV 개발에는 초경량 구동장치, 생체모방 날개 소재, 초소형 집적 기술, 비행 제어 알고리즘이 필요하다.
가장 큰 숙제는 날갯짓을 만드는 구동장치다. 일반 모터로는 초당 수십 번씩 날개를 저으며 정교하게 자세를 잡기 어렵다. 이에 연구진은 전기를 걸면 형태가 변하는 압전소자나 곤충 근육을 본뜬 인공 액추에이터(작동기)를 개발하고 있다. 압전 구동 방식은 반응이 빠르고 부품이 닳지 않아 초소형 비행체에 딱 맞는다.
날개 소재 연구도 뜨겁다. 얇고 튼튼한 잠자리 날개를 재현하기 위해 연구진은 폴리이미드 필름과 탄소섬유 복합재로 미세 주름을 만들고, 3D 프린팅으로 날개맥 구조까지 찍어낸다. 이렇게 만든 날개는 평평한 날개보다 훨씬 안정적인 양력을 만든다.
작은 몸체 안에 카메라, 센서, 통신장비, 배터리를 모두 집어넣는 기술도 중요하다. 지금 나오는 시제품은 비행시간이 몇 분에 불과해, 초경량 배터리와 태양광 박막 셀 같은 전력 기술을 함께 연구 중이다.
비행 제어 기술 또한 진화 중이다. 잠자리가 날개 주변의 미세한 공기 변화를 감지해 순간적으로 자세를 바로잡듯, 드론에도 초저지연 제어 알고리즘을 적용한다. 이 기술을 쓰면 GPS 신호가 잡히지 않는 실내에서도 안정적인 비행이 가능하다.
이제 곤충형 MAV는 실험실을 벗어나 실전 투입을 앞둔 상태다. 아직 잠자리처럼 완전한 자율비행에는 이르지 못했지만, 좁은 공간을 정찰하거나 시설을 점검하는 수준의 제한적 임무 수행은 이미 성공을 거두었다.
곤충형 MAV가 군사적으로 주목받는 이유는 네트워크 중심전에 있다. 이는 여러 무인체계가 실시간으로 정보를 공유하며 하나의 촘촘한 감시망을 만드는 개념으로, 여기서 곤충형 MAV는 적진 깊숙이 들어가 세밀한 정보를 파악하는 말단 감시 플랫폼 역할을 맡는다.
기존의 중대형 정찰 드론은 넓은 지역을 아우르기에는 유리하지만 소음을 유발해 좁은 공간에는 들어가지 못한다. 반면 잠자리를 닮은 MAV는 작고 민첩해 복잡한 지형도 뚫고 들어간다.
최근 각국 국방 연구기관은 곤충형 MAV 여러 대가 서로 소통하며 함께 움직이는 ‘군집비행(Swarm Flight)’ 기술의 완성 단계에 접어들었다. 여러 대 드론이 수집한 정보를 실시간으로 공유하며 탐색 구역을 나누어 수색하는 방식이다.
물론 극복해야 할 과제도 있다. 기체가 워낙 작다 보니 배터리와 센서를 싣는 데 한계가 있어 비행시간이 짧고, 강한 바람을 견디거나 통신 거리를 늘리는 기술도 더 발전해야 한다.
그럼에도 MAV의 미래는 밝다. 군사 용도뿐 아니라 무너진 건물 내부를 수색하거나 재난 현장을 탐사하는 등 사람이 들어가기 힘든 민간 구호 영역에서도 활용 가치가 높기 때문이다.
수억 년의 진화가 완성한 잠자리의 비행은 아름답고도 이롭다. 주름진 날개가 만드는 기류와 독립 제어 구조는 인류 문명이 따라가야 할 과제다. 우리는 언제나 자연에서 배운다.
근육 세포 내 미토콘드리아에서 생성되는 ATP를 에너지원으로 사용한다.
망상 날개맥과 초경량 키틴질 막으로 구성되며, 독립적인 4개의 날개가 개별 유연 관절로 연결된다.
두부의 겹눈과 단눈, 날개의 감각로 초당 300프레임 이상의 시각 정보와 기류 변화를 실시간 처리한다.
날개 손상 시 복구가 불가능하며, 체온이 너무 낮거나 급격한 기온 변화 시 근육 효율이 크게 떨어진다.
최소한의 에너지 소비로 정밀한 공중 포획 및 종의 번식을 달성한다.
초경량 고밀도 리튬-폴리머 배터리 또는 초소형 압전 액추에이터 전원 시스템을 사용한다.
탄소섬유 강화 프레임과 초박형 캡톤 마일라 필름 막으로 제작해 고주파 왕복 진동을 견딘다.
초소형 신경망 프로세서, 단색 마이크로 카메라, 광류 센서, IMU(관성측정장치)가 결합되어 동작한다.
배터리 용량 한계로 짧은 비행시간과 돌풍 등 미세 기류 변화에 취약하다.
인간이 접근하기 어려운 정찰, 수색 및 구호 임무를 성공적으로 수행한다.