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박훈철

건국대학교, 스마트운행체공학과

충돌에도 추락하지 않고 탐사 지속하는 풍뎅이 모방 날갯짓 비행 로봇 개발

공적 요약

장애물과 충돌해도 추락하지 않는 풍뎅이의 날개와 비행 원리를 규명하고, 이를 모방한 날갯짓 비행로봇(KU비틀)을 개발해 우주 저밀도대기에서 비행 가능한 미래 항공우주기술의 기반을 마련.

구체적 내용

박훈철 교수는 초고속 카메라 촬영을 통해 장수풍뎅이의 뒷날개가 처음 몇 번의 날갯짓으로 발생하는 공기력과 관성력으로 완전히 펼쳐지는 사실을 밝혔다. 또한, 펼쳐진 뒷날개는 비행 중에 날개 바깥쪽이 장애물과 충돌하여 뒷날개가 접히더라도 중앙부의 충돌 에너지 흡수 메카니즘 덕분에 짧은 시간 안에 다시 펼쳐져서 안정된 비행을 계속할 수 있음을 입증하였다.
박 교수팀은 이 원리를 적용하여 날개에 충돌 에너지 흡수 장치를 부착한 곤충 모방 날갯짓 비행로봇 ‘KU비틀’을 개발해, 날개 접힘부 바깥 부분이 장애물과 충돌할 경우 날개가 접히면서 충격을 완화하고, 다시 펼쳐져서 비행을 지속함을 실험을 통해 입증하였다. 연구결과는 2020년 12월 국제학술지 사이언스(Science) 온라인판에 게재됐다.

주요경력
1995. 3. ~ 현재 건국대학교 조교수, 부교수, 교수
2021. 1. ~ 현재 저널 바이오닉 엔지니어링, 부편집장
2019. 10. ~ 현재 바이오인스피레이션 및 바이오미메틱스, 편집위원
2017. 9. ~ 2019. 6. 국제 지능 무인 시스템 협회, 회장
2015. 1. ~ 2015. 12. 대한기계학회, 바이오공학부문 회장
2013. 9. ~ 현재 저널 어드밴스드 로보틱스 시스템, 부편집장
주요학력
1989. 9. ~ 1994. 5. 미국 메릴랜드 주립 대학교(U. of Maryland) 항공우주공학 박사
1985. 3. ~ 1987. 2. 서울대학교 항공공학 석사
1981. 3. ~ 1985. 2. 서울대학교 항공공학 학사

지난 7월 민간 우주기업 버진그룹과 블루 오리진은 민간 우주여행이 신호탄을 쏘아 올리며 본격적인 우주 시대의 개막을 알렸습니다. 먼 옛날부터 하늘과 우주는 인류에게 동경의 대상이었습니다. 레오나르도 다빈치를 비롯해 동서양의 많은 과학자가 새와 곤충의 비행원리를 탐구한 까닭입니다. 항공우주과학자 박훈철 교수는 2005년 미국에서 열린 항공우주학회 참가를 계기로 기존의 연구주제와는 결이 다른 생체모방기술에 관심을 가졌습니다. 새로운 시대에는 지금까지의 고정관념을 뛰어넘을 새로운 기술이 필요함을, 그리고 100번 도전해 실패해도 새로운 가능성을 찾아 나서는 것이 바로 과학자의 역할이자 의무임을 깨달았기 때문인데요. 이후 박훈철 교수는 평소엔 날개를 여러 번 접어서 숨겨뒀다가 비행할 때만 날개를 펴는 장수풍뎅이의 생체적 특성에 주목했고, 15년간 뚝심 있는 연구로‘KU비틀'을 개발했습니다. 그의 도전은 여전히 현재 진행형입니다. 곤충의 날갯짓을 이용해 지구 대기밀도의 1/70에 불과한 화성과 같이 다른 행성의 저밀도 대기에서도 비행 가능한 비행체 개발 목표가 아직 남았습니다. 현재에 안주하지 않고 끊임없이 도전하는 과학자 박훈철 교수의 연구이야기를 소개합니다.

이달의 과학기술인상 수상을 진심으로 축하드립니다. 수상 소감과 함께 교수님의 최근 근황도 전해주세요.

사실 처음 연구를 시작할 때에는, 제가 은퇴하기 전에 꼬리날개가 없는 곤충모방 날갯짓 비행로봇의 제어비행에 성공할 줄 예상하지 못했습니다. 연구결과를 사이언스지에 논문으로 게재하게 될 줄도 몰랐고요. 물론 ‘이달의 과학기술인상’ 수상도 전혀 예측하지 못했습니다. 이번 성과는 15년 이상 곤충모방 날갯짓 비행로봇 개발을 위해 함께 땀 흘린 석박사 과정 학생들 덕분이며, 연구 과정에서 많은 도움을 주신 동료 교수님들과 연구비를 지원해준 기관들 덕분입니다. 앞으로 해야 할 연구가 더 많은데요. 올해는 곤충모방 비행로봇 관련 연구과제들이 종료되는 시점이어서, 저밀도 대기 비행과 같은 후속 연구를 위해 과제 도출을 준비하고 있으며, 날치가 물속에서 공중으로 도약하는 특성을 모방하는 연구도 수행 중입니다.

곤충의 비행을 모방한 생체 모방 분야에서 창의적이고 선도적인 연구를 수행해 오셨습니다. 곤충의 비행은 기존 항공기나 조류의 비행과 다른 독특한 특성 때문에 세계적으로도 많은 과학자들이 관심을 가지고 있지요?

곤충은 항공기 또는 조류와 다른 원리로 비행합니다. 조류 모방 날갯짓 비행로봇은 자세 유지에 필요한 제어모멘트를 조류나 항공기처럼 꼬리날개에서 발생합니다. 반면 꼬리날개가 없는 곤충은 날갯짓만으로 비행에 필요한 공기력과 자세 유지에 필요한 제어력을 발생합니다. 또한 곤충은 소위 정상 공기역학으로 예측한 것보다 큰 양력을 발생합니다. 이 같은 특징에 주목해 2000년대 초반 공기 밀도가 낮은 화성에서의 비행 방법으로 곤충 비행을 모방한 연구가 급속히 진행됐습니다. 하지만 곤충의 비행은 조류의 비행을 모방하는 것보다 기술적으로 어렵기 때문에 꼬리날개 없이 내부에 장착된 배터리로 5분 이상 제어비행에 성공한 날갯짓 비행로봇은 아직 세계적으로도 드뭅니다. 현재 화성에서도 날개짓 비행이 아닌 서로 반대 방향으로 빠르게 회전하는 한 쌍의 날개를 가진 회전익 무인기가 비행하는 이유이지요. 곤충모방 비행로봇의 비행효율은 실제 곤충의 비행효율에 미치지 못해 저를 포함한 많은 연구자가 해법을 찾고 있습니다.

흔히 항공공학하면 거대한 항공기 구조 연구를 떠올리기 쉬운 데요. 교수님은 자연 속 작은 곤충에 관심을 가지게 된 계기가 있나요?

항공기와 로켓이 항공분야 연구의 주류이던 20세기 말에 무인기가 속속 등장했어요. 2002년 미국 항공우주학회에서 처음으로 무인기학회를 개최했죠. 당시 미국의 국방고등기술연구소가 새롭게 지원하는 연구는 전례 없이 현실과 동떨어진 주제들이었고, 학회에 참석한 많은 미국 교수가 불만을 표했습니다. 그런데 패널토론에 참석한 미국 공군 대위가 “우리는 연구비를 지원하는 100개 과제 중 하나만 성공해도 된다고 생각한다”라고 말하자 회의장에 순간 적막이 흘렀습니다. 저 역시 그의 말에 소름이 돋았죠. 그때부터 나도 무언가 새로운 연구를 해보자는 마음이 생겼습니다. 그 후 얼마 지나지 않아 건국대 호숫가를 산책하던 중 무당벌레가 날개를 접었다가 펼치며 비행하는 모습을 보았습니다. 예전에도 자주 보던 모습인데, 이상하게도 그날따라 눈앞에 느린 화면이 재생되듯 보였죠. 곤충의 날개는 아무런 근육이 연결되어 있지 않은데도 날개를 접었다가 펼쳐서 비행이 가능한 것이 신기했습니다. 이것을 모방해보자는 생각을 들었고, 장수풍뎅이의 비행과 날개 펼침-접힘을 모방하는 연구를 시작했습니다.

작년 12월, 비행하는 풍뎅이와 날갯짓 비행로봇의 충돌 회복 메카니즘 연구결과를 <사이언스> 지에 발표하셨습니다. 주요 연구내용을 소개해 주세요.

논문은 크게 두 가지 주제를 담고 있습니다. 하나는 장수풍뎅이 날개의 펼침과 충돌 에너지 흡수에 관한 것이고, 다른 하나는 이를 공학적으로 모방한 것입니다. 장수풍뎅이는 앞날개만 완전히 펼치고 뒷날개의 바깥쪽은 접은 채로 날갯짓을 개시하는데, 이 초기 날갯짓으로 발생하는 공기력과 관성력이 뒷날개를 완전히 펼치는 데 기여함을 처음으로 보고했습니다. 더불어 완전히 펼쳐진 뒷날개는 중앙부의 충돌 에너지 흡수 메커니즘으로 인해, 날갯짓 비행 중에 뒷날개 바깥쪽이 장애물과 충돌해 뒷날개가 접히더라도, 짧은 시간에 날개가 다시 펴져 안정된 비행을 계속할 수 있음을 장수풍뎅이의 비행 실험을 통해 입증했습니다.
또한 장수풍뎅이 뒷날개를 모방해, 날개의 앞부분에 충돌 에너지를 탄성 에너지로 저장할 수 있도록 초탄성 형상기억합금 선재(wire)와 경첩 구조로 구성된 충돌 에너지 흡수 장치를 가진 날개를 개발했습니다. 이 날개는 바깥쪽이 날개 평면 및 수직 방향으로 접힐 수 있어서, 장애물과 충돌하면 초탄성 형상기억합금 선재가 경첩 구조를 중심으로 접히면서 충돌 에너지를 탄성 에너지로 저장합니다. 이 날개를 곤충모방 날갯짓 비행로봇(KU비틀)에 장착하고, 비행 시험을 실시해 날개 바깥쪽이 장애물과 충돌해도 안정된 비행이 가능함을 시연했습니다.

풍뎅이를 모델로 한 생체 모방 연구를 15년 가까이 지속하셨는데요. 연구과정 중 기억에 남는 도전은 무엇이었나요?

초기에는 장수풍뎅이처럼 날갯짓을 180도 이상 안정적으로 발생할 수 있는 모터 구동형 날갯짓 장치를 개발하는 것이 최우선 과제였습니다. 비행이 가능하도록 모든 장치를 최대한 간단하고 가벼운 형태로 개발해야 했으며, 날개를 자동으로 회전하게 하는 방법도 고안해야 했습니다. 큰 각도의 날갯짓을 발생할 수 있고 날개의 자동회전이 가능해진 후에는, 이러한 날개가 날갯짓으로 발생할 수 있는 공기력을 예측할 수 있는 기술이 필요했고요. 날갯짓으로 비행이 가능한 공기력이 발생한다 해도 안정된 비행이 가능하려면 자세를 유지할 수 있는 제어 모멘트가 필요합니다. 조류와는 달리 곤충모방 비행로봇에는 꼬리날개가 없으므로, 날갯짓 중에 날개의 궤적을 계속 변경해서 공기력과 제어력을 동시에 발생해야 합니다. 다음으로 요구된 것이 되먹임 전자 제어 기술이었습니다. 소형 드론에서 사용하는 초소형 전자부품을 조합해 되먹임 제어 시스템을 구성해 2016년 약 40초 제어 비행에 성공했습니다. 개선된 질량 1g의 일체형 전자보드에 구현된 제어시스템은 건국대 기계항공공학부 강태삼 교수님 연구실에서 개발했는데요. 2019년 이를 탑재한 KU비틀이 약 9분의 비행에 성공해 전 세계 대학 연구실에서 개발한 곤충모방 날갯짓 비행로봇 중 최장 비행시간을 기록했습니다.

자연에서 아이디어를 얻어 곤충의 특성의 원리를 탐구하고 이를 모방해서 로봇으로 구현하기까지 어려움도 많았을 것 같아요. 가장 큰 난관은 무엇이었나요?

실제 많은 어려움이 있었습니다. 무엇보다 곤충의 비행을 관찰하기가 어렵습니다. 크기가 작은 곤충 날개의 움직임을 관찰하기는 더욱 더 어렵습니다. 비교적 크기가 큰 장수풍뎅이를 연구 대상으로 정한 이유이기도 합니다. 한데, 장수풍뎅이는 야행성이라 밤에만 비행합니다. 아주 밝은 광원을 사용하는 디지털 초고속 카메라로 장수풍뎅이의 비행을 촬영해야 하는데 카메라의 광원 때문에 장수풍뎅이가 밤에도 날지 않았습니다. 장수풍뎅이를 날게 하고, 이를 촬영하는 데 많은 애를 먹고 많은 시간이 소요됐습니다. 더구나 곤충은 길들이기가 힘들어서, 날더라도 원하는 방향으로 날지 않았죠. 장수풍뎅이를 특정 방향으로 날게 하려고 다양한 아이디어를 동원하고 반복 실험하는 데 큰 인내심이 필요했습니다.

교수님의 기초연구성과가 미래 사회에 어떤 변화를 이끌 수 있을까요? 또는 산업적으로 어떻게 활용 가능할까요?

곤충모방 비행로봇은 다수의 프로펠러로 구동하는 드론과는 다른 원리로 비행합니다. 생김새나 비행원리가 상대적으로 자연 친화적이라고 할 수 있습니다. 이러한 로봇들이 현재의 드론과 유사한 기능을 발휘한다면, 전혀 다른 형태의 드론이 현실에서 활용될 수 있습니다. 혹은, 제한된 비행시간이나 성능으로 용도를 다르게 활용할 수도 있겠습니다. KU비틀이 적에게 탐지되지 않고 은밀한 임무를 수행할 가능성이 있으므로, 현재 국방과 관련된 기관에서 많은 관심을 보였습니다. 하지만 실용화를 위해서는 여전히 추가적인 연구가 필요합니다. 민간에서는 곤충의 비행원리를 설명하는 과학교재로도 활용할 수 있을 겁니다.

관련 연구분야의 학술지 편집위원으로도 오랜 기간 봉사하며 생체모방 로봇 분야의 국내외 연구 역량 강화에도 힘을 보태셨습니다. 관련 내용도 소개해주세요.

사실 제 학술적 기반은 ‘유한요소해석’을 근간으로 하는 구조해석입니다. 현재의 생체모방 로봇 연구는 건국대학교 임용 후 시작했습니다. 그래서 이 분야 국제학술지 편집위원이 된 것도 다른 분들에 비해 늦은 편입니다. 현재 부편집인이나 편집위원으로 적극적으로 활동하는 학술지는 3개 정도인데, 이들 모두 생체모방 연구가 활성화된 2000년 이후에 발간되었습니다. 역사가 짧지만 새로운 연구분야를 이끌어가는 학술지라는 점에 의의를 두고 봉사하고 있습니다.

독창적인 분야를 개척하며 어려움도 많으셨을 텐데요. 연구자로서 항상 깨어있고, 남들보다 앞서 나갈 수 있는 원동력은 무엇인가요?

남들보다 앞서다니요? 전혀 그렇지 않아요. 저는 남다른 주제의 연구를 해왔을 뿐, 남다른 재주는 없습니다. 다만, 자연 생물체에 대한 호기심이 좀 있는 편이고, 꾸준히 연구하는 습성이 있습니다. 그리고 조그만 연구성과에도 즐거워져서 연구를 놓기가 어렵습니다. 또한 다행히도 작지만 지속해서 연구비를 받을 수 있었던 것도 현재의 연구성과를 이룬 원동력이었습니다.

연구자이자 후학을 양성하는 스승으로서 연구실을 운영하는 철학도 궁금합니다. 또는 학생들에게 강조하는 연구자의 자세, 학문을 대하는 태도에 대해 들려주세요.

특별한 연구 철학은 없는데요. 굳이 말하자면, 공학에서 실험의 중요성을 강조하는 편입니다. 아마도 거의 모든 연구실에서 그렇게 하고 있겠지만요. 이론적 예측 혹은 전산 시뮬레이션의 조건들은 실제로는 그대로 재현하기 어려워서, 실험 결과와 비교하면 차이가 발생합니다. 해서 실험 조건을 가능한 이론적 조건과 가깝게 하여서, 이론적 계산 결과와 근접한 실험 결과를 얻도록 요구합니다. 이 과정에서 실험에서의 오류와 이론적 계산에서의 오류를 찾아낼 수 있고, 결과에 대해서 확신할 수 있습니다. 성실성도 강조하는 편인데, 이 역시 거의 모든 교수님이 그러할 겁니다. 지금까지 경험을 보면, 머리가 뛰어난 학생보다 근면하고 연구에 시간을 더 쓰는 학생들이 결국 좋은 연구 성과를 도출하더군요. 그리고 교과 과정에서 전문 지식을 넓히는 것도 강조합니다. 현재 주어진 주제의 연구에만 몰두하면, 다른 지식을 쌓을 기회가 없어집니다. 사회에 나가서는 어떠한 역할을 할지 모르므로, 다양한 전문 지식을 습득할 필요가 있다고 강조합니다.

교수님의 연구 분야에서 궁극적으로 도전하고 싶은 목표는 무엇인가요?

지금까지의 연구도 제게는 너무도 어려운 도전이었는데, 다들 다음 도전은 뭐냐고 묻습니다. 제게 더 많은 시간과 자원이 있다면, 메뚜기, 날치, 가마우지 같이 두 가지 이상 방식으로 기동하는 생물체를 모방하는 이중 모드 로봇을 연구하고 싶습니다. 메뚜기 모방 로봇은 소기의 성과가 있었지만, 만족할 정도는 아니고, 날치 모방 연구는 이제 막 시작했습니다. 가마우지 모방에 관한 연구는 작년에 제안했는데, 준비 부족으로 좋은 평가를 받지 못했습니다. 단기적으로는 곤충모방 비행로봇인 KU비틀을 이용해 고도가 높아서 공기 밀도가 해수면 공기 밀도의 70% 정도일 때에도 비행이 가능한 연구를 수행할 예정입니다. 그리고 조건이 허용된다면, 더 낮은 공기 밀도에서도 비행하는 방법과 비행효율 향상에 관한 연구를 수행하고자 합니다.

미래 과학자를 꿈꾸는 학생들에게 조언 또는 당부의 한 말씀 부탁드립니다.

학문은 인류가 남긴 그리고 남기게 될 가장 위대한 무형의 세계문화유산입니다. 그중에서도 과학은 인류 생명을 연장하고 물질문명을 발전시켜온 가장 위대한 문화유산이라고 생각합니다. 이러한 과학이라는 학문을 계승하고 발전시키는데 기여하는 것은 미래 과학자들의 권리이자 의무입니다. 이미 밝혀진 과학적 사실을 더 발전시키는 역할도 중요하지만, 지금까지 접근하지 않은 새로운 과학 영역에 대한 도전도 끊임없이 시도해야 합니다. 지금까지 우리가 아는 것에 비해서 아직도 모르는 것이 여전히 더 많기 때문입니다. 그래서 많은 학생이 과학에 관심을 가지고, 선배 과학자들이 일구어 놓은 지식을 학습하고, 더 나아가서 새로운 것을 발견, 발명하는 과학자로 성장하기 바랍니다.

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