땅벌처럼 안정적인: 돌풍 속에서도 균형을 유지하는 날갯짓 마이크로 로봇을 위한 새로운 알고리즘

모스크바 물리기술연구소(MIPT, Moscow Institute of Physics and Technology)와 스콜텍(Skoltech) 연구진이 날개를 펄럭이며 나는 초소형 로봇의 비행을 안정화하는 알고리즘과, 강풍 속에서 다양한 제어 알고리즘을 시험할 수 있는 계산 환경을 개발했다. 뒤영벌은 자연에서 가장 기동성이 뛰어난 생물 중 하나로, 이는 날개를 한 번 칠 때마다 안정적인 와류 구조가 형성되어 양력을 만들어내는 와류 공기역학 덕분이다. 그러나 날개를 펄럭이는 비행은 본질적으로 불안정하며, 이러한 공기역학을 로봇이나 그 디지털 모델에 적용하면 아주 작은 바람만 불어도 균형을 잃게 된다. 이번에 개발된 안정화 시스템은 날개짓의 진폭, 평균 궤적 위치, 날개 자체 축을 중심으로 한 회전 각도라는 세 가지 핵심 날개 파라미터를 제어한다. 이 알고리즘은 이산 리아푸노프 함수(discrete Lyapunov function)를 기반으로 한 비선형 제어기를 사용해, 원하는 비행 경로에서 벗어나는 정도를 줄이는 방향으로 날개 운동학의 변화를 계산한다. 이 알고리즘은 강한 수직 돌풍이 부는 디지털 풍동 환경에서 시험을 거쳤다. 선형 제어기는 바람의 힘이 곤충 체중의 50~60%를 넘지 않을 때만 균형을 유지할 수 있었던 반면, 새로 개발된 하이브리드 알고리즘은 돌풍이 대상 무게의 1.5배에 달할 때에도 비행을 안정화했으며, 안정화에 걸리는 시간은 3초에서 6초였다. 이 계산 환경은 '인지-계산-행동' 구조를 따르며 강화학습 도구와도 호환되어, 고전적인 조절기, 신경망 알고리즘, 하이브리드 방식을 공정하게 비교할 수 있게 해준다. 연구팀은 앞으로 모델을 더욱 정교하게 발전시키고, 날개를 펄럭이는 초소형 로봇의 완전 자율 항법을 위해 신경망을 활용한 하이브리드 제어기를 시험할 계획이다.