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연구팀은 지난 2020년 장수풍뎅이 모방 로봇의 비행 중 충돌 실험 결과를 ‘사이언스’에 발표한 바 있다. 이번 논문에서는 앞선 연구에 이어 장수풍뎅이의 비행 중 날개의 펼침과 접힘 과정을 관찰하고 원리를 규명, 이를 공학적으로 모사해 비행 로봇에 적용했다.
지금까지 장수풍뎅이가 뒷날개를 완전히 펼치는 원리에 대해서는 논란이 있었다. 연구팀은 장수풍뎅이 날개의 각도에 주목했다. 지상에서는 뒷날개를 접어서 앞날개 아래에 넣어 보관하는 장수풍뎅이는 비행 직전에 앞날개를 완전히 펼치는 반면, 뒷날개는 바깥 부분이 접힌 채로 노출된다. 이어서 접힌 뒷날개는 몇 차례의 날갯짓으로 완전히 펼쳐진 채로 비행하게 된다.
반면 하강 시에는 아주 짧은 시간에 날갯짓 각도와 속도를 줄이면서 내려온다. 이때 날개에 발생하는 원심력이 줄어 날개의 상승각과 펼침각이 감소하는 현상이 나타난다.
연구팀은 장수풍뎅이의 뒷날개를 떼어 날갯짓 장치에 부착해 구동할 경우에도 몇 차례의 날갯짓으로 접힌 뒷날개를 완전히 펼칠 수 있다는 사실을 확인했다. 이로부터 장수풍뎅이가 특정 근육을 움직여 날개를 펼치는 것이 아니라, 날갯짓으로 발생하는 원심력으로 뒷날개를 완전히 펼친다는 것을 입증한 것이다.
연구팀은 이러한 장수풍뎅이 날개의 펼침·접힘 원리를 모방, 비행 로봇(KUBeetle)의 날개를 부착했다. 몸통과 날개는 힌지로 연결해 날개가 접히게 하고, 적절한 탄성을 갖는 와이어(wire)로 날개 뿌리와 힌지를 연결했다. 그 결과 아래쪽으로 접혀진 날개는 초기 날갯짓의 원심력으로 상승해 일정한 날갯짓 평면을 이루며 로봇의 무게인 18g 보다 큰 양력을 발생시켜 비행할 수 있게 했다.
연구팀은 “장수풍뎅이 모방 로봇은 원심력과 탄성력을 이용해 접혔던 날개를 펼치고, 펼쳐진 날개의 날갯짓으로 양력을 발생해 비행하기 때문에 로봇 이동 시 비용이 많이 발생하는 극지·우주탐사 등에 활용 가능할 것으로 기대된다”고 설명했다. 박 교수는 “대기 밀도가 낮은 극한 환경이나 우주에서도 로봇이 비행할 수 있도록 후속 연구를 진행하고 있다”고 말했다.
이번 연구 논문의 공동저자는 박훈철 건국대 교수와 다리오 플로리아노(Dario Floreano) 스위스 로잔 공대 교수다. 박 교수의 제자인 판 호앙 부(Hoang-Vu Phan) 로잔 공대 박사후연구원도 주저자·교신저자로 연구에 참여했다.
