배터리도 모터도 없다? 손끝 크기 ‘초소형 비행 로봇’이 하늘을 날았다

초소형 비행 로봇

손가락 끝에 올릴 정도로 아주 작은 로봇이, 자유자재로 하늘을 날아다닐 수 있다면 어떨까? 게다가 배터리도 모터도 달려 있지 않은데도, 공중에서 딱 멈춰 서거나, 휙 몸을 돌리거나, 벽에 부딪혀도 금방 균형을 되찾으며 계속 날 수 있다면 말이다.

미국 캘리포니아대학교 버클리캠퍼스(UCB) 연구진이 지름 1cm도 되지 않는 날개(정확히 직경 9.4㎜)를 달고, 무게는 고작 21㎎짜리인 “초소형 비행 로봇”을 개발했다고 한다. 연구 내용은 2025년 3월 28일 자 학술지 “Science Advances”에 게재되었다.

손톱보다 작은 로봇이 날 수 있었던 비결은 “자기장”

자기장 속에서 하늘을 나는 초소형 비행 로봇

미니어처 드론이나 소형 기기를 하늘에 띄우는 건 말처럼 간단치 않다. 어느 정도 크기가 있어야 배터리나 모터 등을 탑재할 수 있고, 공기저항에 대처할 수 있으니까 말이다. 그런데 지름 1cm쯤 되는 물건에 배터리나 모터, 제어회로를 몽땅 넣기는 불가능해보이겠지만, UC 버클리 연구진은 이 문제를 말끔히 해결해 버렸다.

이 기술을은 학창 시절 과학 시간에 나오는 막대자석과 클립을 떠올리면 된다. 자석 주변에 클립을 놓으면, 그냥 가만히 있어도 스르륵 붙게 되는데, 그건 바로 “우리 눈엔 안 보이지만 실제 힘이 작용하는 공간”, 인 자기장이 있기 때문이다.

이번에 개발된 로봇도 바로 이 자기장의 힘으로 날아다닌다. 외부에서 교류 자기장을 걸어 주고, 로봇 내부에 달린 작은 영구자석과 상호작용해 회전력을 만들어 낸다. 그 덕분에 로봇의 회전 날개가 빙글빙글 돌아서 공기를 아래로 누르는 양력을 만들어 기체가 뜨게 된다.

여기에 “밸런스 링(balance ring)”이라는 구조물을 더해 자이로 효과(회전하는 물체가 자세를 유지하는 힘)를 활용하면, 살짝 흔들리거나 기울어져도 자동으로 보정돼 안정감이 커진다. 아이들이 팽이를 세차게 돌리면 쓰러지지 않고 똑바로 서 있는 것과 같은 원리라고 생각하면 된다.

호박벌에서 아이디어를 얻은 “초소형 비행 로봇”

이 로봇에는 호박벌에서 얻은 아이디어도 숨어 있다. 호박벌은 통통한 몸집에 날개가 작아서, 과거 항공역학자들이 “이론적으론 날 수 없다”고 말했었다. 그런데 현실에선 참 잘 날아다닌다. 작은 날개를 초당 100번 이상 빠르게 움직여 공기 중에 작은 와류를 일으키고, 그 와류를 지렛대 삼아 양력을 얻기 때문인데,

이런 호박벌의 움직임에서 착안해, 회전 날개가 만들어 내는 공기 흐름, 와류를 인공적으로 재현했다. 덕분에 작은 에너지로도 충분한 양력을 만들어 낼 수 있게 된 것이다.

그럼 이 로봇의 성능은 어느 정도일까?

무게 21㎎짜리 기체가, 배터리도 없이 무선으로 비행할 뿐만 아니라, 약 0.5초 정도 하늘에서 멈춰 있는 호버링(정지 비행)까지 가능하다. 좌우로 돌거나 위아래로 오가는 것 쯤이야 당연하고, 설령 벽에 부딪혀도 금세 균형을 되찾고 비행을 이어갈 수 있다.

또한, 이 로봇에 센서나 컨트롤러가 따로 실려 있지 않다. 모든 동작은 전부 “외부에서 걸어 주는 자기장” 변화를 통해 제어된다. 특정 방향에서 자기장을 가하거나, 강도를 조절하면, 그에 맞춰 로봇이 “움직임”을 달리한다.

어디에 쓰일 수 있을까?

연구진은 “복잡한 환경이나 좁은 틈새를 탐색하는 데 유용할 것”이라고 말한다. 이를테면 농작물 사이를 쏘다니며 온도·습도를 재고, 작물을 관리하는 스마트 농업에 적용할 수도 있고, 자연환경을 훼손하지 않으면서 야생동물의 행동을 관찰하는 생태 조사나 환경 모니터링에도 도움을 줄 수 있다.

이뿐만 아니라, 언젠가는 손끝에 올려둘 만큼 작은 로봇들이 무리지어 하늘을 날아다니며, 우리가 살고 있는 세상을 안전하고 편리하게 만드는 일에 기여할지도 모른다. 아직은 상상 단계일 수도 있지만, 요즘 시대는 터무니없다고 여겨졌던 것들이 하루아침에 현실이 되는 일이 부지기수라, 이 작은 비행 로봇 하나가 몰고 올 파급효과도 꽤나 재미있을지도 모르겠다. 시대가 바뀌면, 상식을 바꾸는 주역은 언제나 이렇게 ‘작고 혁신적인’ 발명품이었으니까 말이다.

REFERENCE

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