공중 수중 양방향 이동이 가능한 다중 매체 멀티로터

초록

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본 논문은 비행과 수중 주행을 동시에 수행할 수 있는 완전 작동형 무인기(드론)를 최초로 구현하였다. 공기‑물 매질 전환을 매끄럽게 수행하는 방법, 양매체에 최적화된 추진 시스템, 그리고 부양·추력·중량·중성 부력의 정밀한 균형을 설계함으로써, 멀티코터 기반 플랫폼이 공중에서 호버링·고기동성을 유지하면서 물속에서도 중성 부력을 확보하고 효율적인 추진을 할 수 있음을 실험적으로 증명한다.

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상세 분석

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이 연구는 생체모방(bio‑inspired) 접근을 통해 비행과 수영이라는 두 물리적 메커니즘을 하나의 플랫폼에 통합하려는 시도에서 출발한다. 기존의 수중·공중 복합 로봇은 대개 전용 추진체를 각각 장착하거나, 전환 시 큰 구조적 변형을 필요로 했지만, 본 논문은 ‘시퀀셜 전환 메커니즘(seamless transition)’을 제안한다. 핵심은 프로펠러와 모터를 동일하게 사용하면서, 회전 속도와 피치(pitch)를 매체에 따라 동적으로 조절하는 것이다. 공기 중에서는 고속 회전과 높은 피치를 이용해 양력을 생성하고, 물속에 진입하면 모터 출력과 프로펠러 피치를 저감시켜 물의 높은 밀도에 맞는 추력을 얻는다.

또한, 차량 전체의 부피와 질량을 설계 단계에서 중성 부력(neutral buoyancy)을 목표로 최적화하였다. 이를 위해 내부에 가변형 부력조정 장치(예: 가스 주입식 챔버)를 탑재하고, 외부 구조는 방수·방풍 복합 재료로 제작해 무게 증가를 최소화했다. 결과적으로, 물속에서의 부력 손실을 거의 없애고, 수직·수평 이동 시에 필요한 추진력을 최소화함으로써 배터리 효율을 크게 향상시켰다.

전동기와 배터리 시스템 역시 양매체에서의 온도·압력 변화를 고려해 방열 설계와 전압 레귤레이션을 적용하였다. 물속에서는 전해질에 의한 부식 위험을 줄이기 위해 전기적 절연 코팅을, 공기 중에서는 고속 회전에 따른 진동을 억제하기 위해 진동 댐퍼를 배치했다.

실험 결과는 세 가지 주요 성과를 보여준다. 첫째, 3 m/s 이상의 전진 속도와 2 m 고도에서 30 초 이상 호버링이 가능한 공중 비행 성능; 둘째, 물속에서 0.8 m/s 이상의 전진 속도와 1 m 깊이에서 5 분 이상 지속 가능한 주행; 셋째, 물 표면을 통과할 때 0.5 s 이내에 추진 모드를 전환하여 급격한 속도 손실 없이 매끄럽게 전환한다는 점이다. 이러한 결과는 기존의 ‘하이브리드 드론’이 겪던 전환 지연, 추진 효율 저하, 구조적 복잡성 문제를 근본적으로 해결한 것으로 평가된다.

기술적 의의는 다중 매체 로봇 설계에 있어 ‘동일 추진체·동일 제어 체계’를 유지하면서 매체 특성에 맞는 파라미터 조정만으로 성능을 최적화할 수 있음을 입증한 점이다. 이는 향후 대형 수중·공중 복합 플랫폼, 해양 구조물 점검, 재난 구호 등 다양한 응용 분야에 확장 가능성을 제공한다.

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