네덜란드 연구소, 비둘기 반사신경을 부여해 방향타 없는 드론을 비행시키다

대부분의 항공기는 더치 롤(Dutch roll) — 요잉, 옆미끄러짐, 롤링이 뒤섞인 스케이터 같은 움직임 — 을 억제하기 위해 수직 꼬리나 방향타를 갖춘다. 꼬리는 무게와 항력을 더하는데, 이는 여객기의 연료 비용을 높이고 레이더 신호를 키워 스텔스 항공기에 문제가 된다. 방향타가 없는 B-2 폭격기는 날개 끝의 항력 플랩으로 이를 해결하는데, 흐로닝언 대학의 항공우주공학자이자 생물학자인 데이비드 렌틴크는 이를 비효율적이라고 말한다. 효율적인 방법은 양력을 발생시켜 안정성을 해결하는 것이며, 새가 바로 그렇게 한다.

1929년 독일 과학자 프란츠 그뢰벨스는 새가 '자동 비행기'처럼 비행하며 반사신경을 통해 안정화된다고 주장했다. 몸이 기울면 꼬리를 뒤집고, 롤링하면 날개를 비대칭으로 펼치는 식이다. 렌틴크의 팀은 그 가설에서 거꾸로 출발해 로봇을 만들어 검증했다. 첫 로봇인 Tailbot — 고정 날개와 5자유도 꼬리 — 은 반사 컨트롤러 아래 시뮬레이션된 난류 풍동에서 안정성을 유지했지만 야외에서는 추락했다. 해결책은 PigeonBot II였다. 비둘기처럼 독립적으로 접고 펼 수 있는 형태 변형 날개, 9개의 서보, 실제 비둘기와 비슷한 무게, 그리고 진짜 깃털을 갖췄다.

기성품 Pixracer 드론 오토파일럿은 일반적인 쿼드콥터 제어만 이해하므로, 오토파일럿과 로봇 사이에 아두이노가 위치해 명령을 날개와 꼬리 움직임으로 변환한다. 야외에서 PigeonBot II는 완전히 자율적으로 이륙하고 비행하고 착륙했으며 — 또는 상승, 하강, 회전 같은 상위 수준의 조작자 명령에 따라 — 비행 안정화를 전적으로 새와 같은 반사신경에 맡겼다. 그뢰벨스의 1929년 추측은 이제 비행 시연을 갖게 되었다.

여전히 공학을 이기지 못하는 구성 요소가 하나 있다. 바로 깃털 자체로, 10마이크론 크기의 3D 갈고리가 세계 유일의 단면 벨크로를 형성하며, 각각의 고정된 갈고리는 최대 20그램의 하중을 견딘다. 그렇게 가볍고, 뻣뻣하며, 복잡한 구조를 동시에 갖춘 인공 구조물은 없기에, 로봇들은 실제 비둘기 깃털로 비행한다.

방향타를 새의 해답으로 대체한다. 반사신경 같은 컨트롤러가 형태 변형 날개와 꼬리를 접고 펼쳐, 항력 대신 양력으로 안정화한다.

꼬리의 비용 문제를 근원에서 공략한다. B-2처럼 낭비적인 항력 플랩으로 임시방편하는 대신, 새처럼 양력을 발생시키는 형상 변화로 안정화한다.

95년 된 생물학 가설이 비행하는 공학 실험이 되었다. 반사 루프를 구축해 그 이론이 하늘에 머무는지 확인한 것이다.

항공전자장치는 기성 하드웨어로 유지되었다. 중간의 아두이노가 기성 드론 오토파일럿이 형태 변형 날개와 5자유도 꼬리를 제어하도록 했다.

방향타를 제거하면 그 무게, 항력, 레이더 신호가 한 번에 사라진다. 방향타 없이 비행하는 것의 핵심이 바로 그것이다.

제어면의 비용이 너무 클 때는 동물의 해결책을 빌리라. 빠른 반사신경이 구동하는 분산된 형상 변화가 그 부품을 완전히 대체할 수 있다.

PigeonBot II는 야외 시험을 통과했다. 자율 이륙, 비행, 착륙을 반사 컨트롤러만으로 안정화했으며, 조작자는 상위 수준 명령만 내렸다. 팀은 여전히 실제 깃털로 비행하는데, 어떤 인공 구조물도 이를 따라잡지 못하기 때문이다. 이 결과는 항공기 설계자들에게 양력 기반의 방향타 없는 비행 경로를 제시하는데, 바로 그곳에서 수직 꼬리는 정확히 부담이 된다.