“무인항공기(드론·UAV)처럼 날 수 있고 탱크처럼 지상도로를 주행할 수 있다.”

미국 GE항공에 근무하는 한 발명가가 만든 하늘을 나는 탱크가 화제다. 이 탱크는 실제로 변형되는 트랜스포머 로봇이며, 하늘을 나는 것은 물론 지상도로에 착륙해 탱크처럼 이동할 수도 있다.

인터레스팅 엔지니어링이 최근 발명가의 취미 수준을 넘어서 하이테크 로봇 전쟁시대의 새로운 가능성을 보여준 트랜스포머 로봇을 소개했다.

이 운행체는 버튼을 누르기만 하면 탱크와 쿼드콥터 드론 모드 사이에서 자유자재로 변형되는 말그대로 트랜스포머 운행체다.

이 드론 탱크 운행체의 하드웨어는 6개 브러시리스 모터, 2개 서보모터, 2개의 선형 액추에이터로 구성됐고 제어는 드림플라이트(Dreamflight) 소프트웨어(SW)를 실행하는 맞춤형 인쇄회로 기판(PCB)로 제어된다.

드론-탱크 자유자재로 오가는 변신 트랜스포머

마이클 레크틴 발명가가 개발한 이 운행체는 4개 막대 연결 시스템을 통해 주행모드와 비행모드 사이에서 자유자재로 전환된다. 수축형 선형 액추에이터는 비행을 위해 바퀴와 프로펠러 가드를 수직 위치로 회전시킨다.

주요 구조는 탄소 섬유 판으로 강화됐고, 중요한 하중 지지 부품은 강도와 ​​내열성을 위해 가벼운 탄소 섬유 나일론으로 만들어졌다.

레크틴은 유튜브에 올린 동영상에서 “수백 개의 3D 프린팅 부품, 셀 수 없이 많은 디자인 조정, 고장난 하드웨어, 결함 있는 소프트웨어, 의심스러운 선택이 필요했지만 결국 실제로 작동하는 것을 만들었다”고 말했다.

듀얼 모드 혁신···‘원격제어 차량+쿼드콥터’ 성공

이 프로젝트의 영감은 이전의 두 가지 창작물인 원격제어 자동차와 쿼드콥터를 결합하려는 욕구에서 나왔다.

레크틴이 온라인에서 간단히 검색한 결과 몇몇 대학에서만 유사한 디자인을 시도한 것으로 나타났고, 이를 독창적인 사고가 필요한 독특한 도전으로 만들었다.

그는 온셰이프(Onshape)라는 컴퓨터지원설계(CAD) 소프트웨어를 이용해 이 프로젝트를 시작했다. 이 프로그램은 설계자가 아이디어를 스케치하고, 연결 시스템을 테스트하고, 변환 메커니즘이 작동하는지를 확인시켜 주었다.

레크틴에 따르면 설계에서 가장 어려운 측면은 차량을 주행 모드와 비행 모드 사이를 오갈 수 있도록 전환시켜 주는 연결 시스템을 개발하는 것이었다.

주행 모드에서 이 연결 시스템은 바퀴와 트랙을 지면에 수직으로 유지시킨다. 서보 모터를 작동시키면 차량의 차체가 낮아지고, 선형 액추에이터는 로터를 회전시켜 비행 모드가 되도록 지면과 나란히 정렬한다. 디자인 과정 초기에 2D 모델을 만든 것이 이 복잡한 메커니즘을 개선하는 데 도움이 됐다.

레크틴은 수 시간의 작업과 커피에 힘입은 창의성을 발휘한 후 이 디자인이 제작 준비가 된 기능적 3D 모델로 진화했다고 강조한다.

재료 최적화

이 트랜스포머 로봇 운행체는 주로 3D 프린팅 부품들을 사용해 제작됐는데, 뱀부랩스(Bamboo Labs)의 X1 카본(X1 Carbon) 및 P1S 프린터로 제작한 100개 이상의 부품들로 이뤄졌다.

이 두 프린터는 속도, 안정성 및 고품질 프린팅 제작 능력으로 찬사를 받는 제품이다.

일부 부품은 강도와 ​​내구성을 위해 매끈한 표면 마감 처리가 된 가볍고 견고한 소재인 탄소 섬유 나일론으로 만들어졌다. 덜 중요한 구성 요소의 경우 무광 PLA(Poly Lactic Acid) 필라멘트가 사용됐다.

레크틴에 따르면 이 선택은 운행체의 무게를 증가시켰지만 부품을 강화하기 위한 추가 매개변수와 충전재를 허용했다. 향후 버전에서는 성능을 개선하기 위해 탄소 섬유 나일론과 같은 가벼운 소재로 전환할 수 있다.

구조적 지원을 위해 이 운행체에는 3D 프린팅을 사용하지 않은 탄소섬유 측면 판(板, plate) 같은 부품들도 사용됐다. 이러한 판들은 운행체의 강성과 미감을 살리는 데 필수적이다.

판은 컴퓨터수치제어(CNC) 라우터를 사용해 절단됐으며, 강도를 손상시키지 않으면서 무게를 줄이기 위해 삼각형으로 도려내졌다. 두께가 3mm인 각 판은 3D프린팅 부품들을 안전하게 장착할 수 있도록 설계됐다.

드림플라이트 소프트웨어를 실행하는 특수 인쇄회로기판(PCB)은 운행체의 브러시리스 모터 6개, 서보 모터 2개, 선형 액추에이터 2개를 제어한다.

테스트 중에 지상탱크와 무인항공기를 오가는 전환 시스템은 잘 작동했고 탱크 모드는 뛰어난 파워와 이동성을 보여주었다. 그러나 쿼드롭터 드론의 무게가 3.3kg를 넘었기 때문에 초기 비행 테스트에서 무게와 액추에이터 강도에 문제가 있는 것으로 나타났다.

이 아이디어가 단순한 취미수준의 발명이 아니라고 볼 만한 사례는 인류 최초의 실용 헬리콥터 발명가 시콜스키에게서 찾을 수 있다.

최초의 헬기 구상은 다빈치···이를 현실화한 인물은 시콜스키

세계 최초의 실용 헬리콥터를 개발한 이고르 이바노비치 시콜스키는 제정 러시아 시대 우크라이나 키이우에서 대학교수의 아들로 태어났다. 부모는 모두 의사였다. 어머니는 특히 그에게 커다란 영향을 주었다. 그녀는 어린 시콜스키에게 레오나르도 다빈치의 이야기를 곧잘 해 주었는데 그 헬리콥터의 이야기는 그의 평생에 걸친 꿈이 됐다.

1903년 인류 최초의 동력엔진 비행 시험에 성공한 윌버 라이트는 5년 후인 1908년 프랑스 르망에서 공개비행을 하면서 유럽항공에 대약진의 불길을 점화했다. 이는 당시 19세였던 시콜스키에게도 커다란 영향을 주었다.

시콜스키는 키이우에서 양자니 엔진을 사용해 헬기를 만들었으나 뜨지 않자 한 때 헬기 제작을 중단하기도 했다. 하지만 1912년 겨우 23세에 세계최초의 4발기(르 그랑·거인)를 제조하는 데 성공했다. 제1차 세계대전에서 러시아군이 사용한 4발 폭격기는 그가 개발한 르 그랑의 군용 개량형이다.

1917년 러시아혁명이 일어나자 시콜스키는 미국으로 망명해 4발 원양 비행정을 만들었고, 이어 1939년 9월 14일 비로소 약간 수직으로 뜨는 헬기를 만들기에 이른다. 결국 그가 만든 V-300 헬리콥터가 뜨기에 이른다.

레오나르도 다빈치 이래 인류의 꿈이었던 헬리콥터가 마침내 시콜스키에 의해 실현됐다. 시콜스키사는 세계최초의 실용적 헬리콥터 회사가 됐다. 그리고 이 회사가 만든 XR-4는 세계최초로 군용 헬리콥터가 됐다. 시콜스키는 1972년 10월 26일에 78세를 일기로 타계했지만 시콜스키 헬리콥터는 여전히 세계적인 헬리콥터 회사로 건재하다.

시콜스키의 헬리콥터에 사용된 수직이착륙 기술은 오늘날 에어택시라는 또다른 변형된 모습으로 넷제로 시대의 인류에게 또다른 형태로 더 가까이 다가오고 있다.

급속히 발전중인 로봇기술이 이 아이디어로 어디까지 발전하지 궁금해진다.