d라이브러리

“위잉~~ 윙윙~~~!”

<;어린이과학동아>; 친구들 안녕! 요즘 나를 모르는 친구들은 아마 없을 거야. 내 이름은 드론. 공중에 붕 떠서 곳곳을 날아다니며 중요한 일들을 하고 있지. 중요한 일이 뭐냐고? 하늘 높이 올라가서 멋진 사진과 영상을 찍고, 접근하기 어려운 곳에 물건을 배달하기도 해. 주로 사람들이 직접 하기 힘든 일들이야. 그런데 요즘엔 우리를 찾는 곳이 점점 많아져서 눈코 뜰 새 없이 바빠졌지 뭐야. 어? 저기서 또 누가 날 찾네!

드론 전쟁에서 태어나다

우리는 하늘을 날 때 ‘윙윙~’ 소리를 낸다고 해서 영어로 수벌을 뜻하는 드론(Drone)이라고 이름 지어졌어. 요즘엔 아주 다양한 곳에 드론이 쓰이지만, 사실 우리 드론이 처음 만들어진 이유는 전쟁 때문이야. 최초의 드론을 함께 만나 보자!

오스트리아 군대의 비밀 무기, ‘드론’

최초의 드론은 유럽의 복잡한 전쟁을 배경으로 탄생했어요. 당시 만들어진 드론은 지금과는 달리 열기구 같은 모양이었지요. 1848년, 이탈리아 북부에 있는 베네치아에서는 당시 이곳을 지배하고 있던 오스트리아군에 맞서는 운동이 일어나기 시작해요. 이 운동이 점점 거세지자, 오스트리아군은 베네치아 주변의 육지와 바다를 모두 포위해 도시의 출입을 굳게 막았어요. 그 결과 베네치아에는 배고픔이나 질병과 같은 고통을 겪는 사람들이 늘기 시작했지요. 그럼에도 베네치아 사람들은 절대 항복하지 않았어요.

이때 오스트리아군의 병사인 프란츠 폰 우하티우스가 아이디어를 냈어요. 커다란 풍선에 폭탄을 싣고 공중에 띄워서 베네치아를 공격하자는 계획이었지요. 오스트리아군은 즉시 폭탄을 실어 나를 풍선을 만들었어요. 그리고 1849년 7월, 마침내 완성된 풍선에 폭탄을 실어 하늘로 띄웠답니다.

폭탄을 실은 풍선은 상공 1.3km가 넘는 높이까지 떠올랐어요. 하지만 오스트리아군의 예상과 달리 땅에 닿기 전에 공중에서 폭탄이 터지거나 바다에 떨어지고 말았어요. 또한 갑자기 바람의 방향이 바뀌자 오히려 오스트리아군의 진영으로 되돌아와 폭탄이 터지기도 했지요.

비록 최초의 드론은 작전에 실패했지만 사람들은 이때부터 드론에 주목하기 시작했어요. 사람이 타지 않고 하늘을 날아서 임무를 수행할 수 있는 유일한 물체이기 때문이에요.

드론, 군대 밖 세상 속으로

제1차 세계대전이 끝나고 군대에서는 무선조종 드론에 대한 필요성을 크게 느꼈어요. 그래서 이때부터 미국 육군에서는 드론을 조종해서 원하는 곳에 정확하게 보낼 수 있는 무선조종 기술 개발에 집중했답니다.

그 결과 1921년 최초의 무선조종 드론인 ‘스페리 매신저’가 개발됐어요. 미국 육군에서 개발한 이 드론은 현재의 드론과 마찬가지로 무선 전파를 이용해 조종하는 방식이었지요.

이후 1939년에 시작된 제2차 세계대전에서 처음으로 무선조종 드론이 대량생산됐어요. ‘라디오플래인 OQ’라는 이름의 이 드론은 전쟁이 끝날 때까지 무려 1만 5000대 이상이 만들어졌지요. 이 드론은 시속 137km까지 빨리 날 수 있었답니다.

1990년대, 인공위성을 이용해 위치를 파악할 수 있는 GPS 기술 덕분에 드론은 또 한 번 발전해요. 드론에 GPS를 달면 사람이 조종하지 않고도 미리 입력된 경로대로 정확하게 스스로 비행할 수 있거든요. 이런 자율 비행 기술의 발달로 군대에서 이용되는 드론의 수가 급격하게 많아졌어요.

2012년 말에 미국 공군이 운행하는 전투기를 분석한 결과, 드론의 비율이 3분의 1 정도로 1300대 이상이었답니다.

이렇게 점점 기술이 발달하고 만드는 비용이 줄어들면서 드론은 우리와 더욱 가까워졌어요. 취미로 드론을 조종하고, 드론으로 멋진 항공 사진이나 영상을 찍는 사람들이 많이 생겨났답니다.
 

*복엽기 : 앞날개가 위아래로 2개 달린 비행기.
 

드론 과학으로 날다

모두들 비행기가 나는 모습을 본 적이 있을 거야. 공항에 있는 항공기는 활주로를 빠르게 달리다가 떠오르고, 헬리콥터는 위에 달린 날개가 뱅글뱅글 돌면서 하늘을 날지. 그렇다면 드론은 어떻게 날까? 지금부터 드론이 나는 원리에 대해 알아보자!

프로펠러가 돌면 하늘로 둥둥~

군사용으로 쓰는 드론은 주로 공항에 있는 항공기와 비슷한 모양이에요. 날개가 고정돼 있고, 양력이 잘 생기도록 기체의 모양이 유선형이지요. 이런 모양의 드론은 소음이 적고 오래 날 수 있는 장점이 있어요. 하지만 비행 방향을 빠르게 바꾸지 못하고, 제자리에서 이착륙을 못하는 단점이 있지요.

반면 일반인이 쓰는 드론은 프로펠러를 이용해요. 드론에 달린 프로펠러가 회전하면서 공기를 아래로 밀어내면 이 힘에 의해 드론이 떠오르는 거예요.

드론은 프로펠러 개수에 따라 부르는 이름이 있어요. 프로펠러가 4개면 쿼드콥터, 6개는 헥사콥터, 8개는 옥토콥터라고 해요. 그런데 왜 모두 프로펠러 수가 짝수일까요? 만약 모든 프로펠러가 한 방향으로 회전하면, 한쪽으로만 힘이 쏠려서 드론의 몸체는 기울어지게 돼요. 드론이 안정적으로 비행하기 위해서는 시계방향과 반시계방향으로 도는 프로펠러가 같은 수로 달려 있어야 한답니다.

그렇다면 드론의 비행 방향은 어떤 원리로 결정될까요? ‘쿼드콥터’의 경우, 드론이 앞으로 날 때는 뒤에 달린 프로펠러 두 개의 회전 속도가 앞에 달린 프로펠러 두 개보다 더 빨라져요. 그러면 드론 몸체의 뒷부분이 앞부분보다 더 위로 들리면서 몸체가 기울어져요. 그 결과 뒤에서 미는 힘에 의해 앞으로 나가게 되는 거예요. 이런 원리로 드론은 비행하려는 방향과 반대쪽에 있는 프로펠러를 더 빠르게 회전시켜 비행 방향을 바꾼답니다.
 

드론 다양하게 진화하다

지금까지는 드론이 사용되는 곳이 한정적이었지만 최근에는 다양한 곳에서 우리를 활용하기 위한 연구가 진행되고 있어. 덕분에 우리 드론은 각양각색 멋진 모습으로 진화하고 있지. 다양한 드론들을 만나러 함께 가 보자!
 

벌처럼 무리지어 나는 드론 떼

‘빠라밤~ 빠라밤~♪’ 무대에 신나는 음악이 흘러나오자 드론 20대가 일사불란하게 날아올라요. 그러더니 아이돌 가수처럼 음악에 맞춰 질서정연하게 군무를 추기 시작해요. 8자 모양을 그리며 날고, 한 줄로 늘어서서 넘실대는 파도 같은 물결무늬 비행을 뽐내기도 해요.

한국항공우주연구원 공현철 박사 연구팀은 벌이나 새처럼 떼를 지어 나는 군집 드론 비행 기술을 개발했어요. 컴퓨터 프로그램에 드론 20대의 경로를 미리 입력해 두면 드론들이 경로에 따라 정확하게 비행해요. 그리고 드론이 비행하는 무대 위에 설치된 적외선 카메라가 각각의 드론 위치를 3차원으로 파악하지요.

언뜻 모든 드론이 똑같이 생겼지만, 자세히 보면 몸체 위에 빛을 내는 마커가 각각 다른 패턴으로 붙어 있어요. 적외선 카메라는 이런 마커의 패턴을 통해 각각의 드론을 구분한답니다.

미국 펜실베니아대학교 비제이 쿠마 교수 연구팀은 이와 비슷한 방식으로 음악을 연주하는 드론을 만들었어요. 일곱 대의 드론이 드럼과 피아노, 기타를 치며 멋진 음악을 연주하지요.

하지만 위의 기술은 실내에서만 적용할 수 있는 단점이 있어요. 일정한 공간 안에서 적외선으로 위치를 파악하는 카메라가 있어야만 드론이 정해진 경로를 따라 비행할 수 있거든요.

드론이 실외에서 정확한 비행을 하기 위해서는 인공위성을 이용해 위치를 알 수 있는 GPS를 이용해야 해요. 하지만 아직까지 GPS 정보는 오차가 수 미터까지 나기 때문에 정확하게 비행하기 어려워요. 그래서 최근에는 오차를 수 센티미터 이하로 줄이기 위한 연구가 계속되고 있답니다.

배달하고, 모기 잡고, 사람도 구조한다!

드론은 사람이 하기 힘든 일도 쉽게 해낼 수 있어서 쓰임새가 다양해요. 최근엔 특히 물건 배달에 드론을 이용하려는 시도가 가장 활발하게 이뤄지고 있지요.

미국의 가장 큰 인터넷 쇼핑 업체인 아마존에서는 드론을 이용해 30분 내로 물건을 배달하는 서비스를 개발했어요. 또한 주문자의 위치를 실시간으로 파악해 물건을 배달해 주는 기술로 특허를 내기도 했답니다.

모기를 채집하는 드론도 있어요. 올해 6월 미국의 기업인 마이크로소프트에서는 모기 잡는 드론을 개발 중이라고 밝혔어요. 말라리아나 뎅기열처럼 모기에 의해 전염되는 병을 미리 감지하고 예방하기 위해 드론을 이용하려는 거예요.

연구팀은 우선 모기가 좋아하는 물질을 이용해 트랩 안으로 모기를 유도했어요. 트랩에는 모기를 보존하는 화학물질이 담겨 있어서, 먼 곳에서 잡은 모기도 연구에 사용할 수 있도록 안전하게 배달하지요. 또한 다른 벌레와 모기를 구분하는 장치도 달려 있어서 모기만 골라서 채집할 수도 있답니다. 이 트랩을 실은 드론이 널리 쓰이면 모기로 인해 생기는 전염병이 줄어들겠죠?

지난 6월 15일 인천에 있는 을왕리 해수욕장에 해상 구조 드론이 등장했어요. 이 드론에는 카메라가 달려 있어서 본부에 있는 사람이 실시간으로 바다를 감시할 수 있어요. 또한 인명 구조에 쓸 튜브도 매달려 있지요.

바다에 빠진 사람을 발견하면 드론을 보내서 바다에 빠진 사람의 손이 닿는 위치에 싣고 있던 구조 튜브를 떨어뜨려요. 그럼 물에 빠진 사람은 튜브에 매달려 구조요원이 도착할 때까지 안전하게 있을 수 있답니다.
 

드론 가상현실을 만나다

이렇게 다양한 드론이 있다니 놀랍다고? 아마 지금부터는 더 깜짝 놀랄 거야. 실제 드론처럼 하늘을 나는 기분을 느낄 수 있거든. <;어린이과학동아>; 이혜림 기자가 이 ‘가상현실 드론’을 직접 보고 체험했대. 이 기자의 체험기를 들어 보자!
 

이혜림 기자의 생생 가상현실 드론 체험기

6월 23일 오전 10시, 특별한 드론을 체험하기 위해 연세대학교 테니스코트를 찾았어요. 테니스코트 한쪽에 있는 사무실에는 컴퓨터를 비롯한 각종 기계들이 있었어요. 떨리는 마음으로 컴퓨터 앞에 서서 가상현실 안경을 끼고 새처럼 팔을 벌렸어요. 그러자 드론에 달린 카메라가 비추는 모습이 그대로 눈앞에 쫙 펼쳐졌어요! 평소 올라갈 수 없는 높이에서 학교의 모습을 한눈에 보니 마치 내가 새가 되어 나는 것 같은 기분이었지요.

놀라운 경험은 지금부터예요. 팔을 벌린 채 몸을 왼쪽으로 기울이자 드론이 왼쪽으로 날기 시작했어요. 다시 몸을 앞으로 기울이자 이번엔 앞으로 날아갔지요. 또 고개를 왼쪽으로 기울이면 드론에 달린 카메라 렌즈의 방향이 왼쪽으로 바뀌고, 아래로 숙이면 카메라도 아래쪽으로 방향을 바뀌었어요. 내 몸과 드론이 똑같이 움직이면서 내가 마치 드론이 되어 하늘을 날고 있는 느낌이 생생하게 들었어요.

이렇게 사용자와 드론이 한몸처럼 움직일 수 있는 것은 모니터 위쪽에 있는 두 개의 기계 덕분이에요. 우선 마이크로소프트가 개발한 ‘키넥트’는 몸동작을 인식해요. 사용자의 몸에 적외선을 쏘아 반사되는 시간 변화를 측정해 몸의 움직임을 알아내지요. 그리고 이런 동작 정보를 컴퓨터로 분석해 드론에 무선 전송한답니다.

다른 하나는 키넥트 아래쪽에 있어요. 가상현실 안경의 위치 변화를 인식하는 작은 기계로, 사용자가 가상현실 안경을 쓰고 고개를 왼쪽으로 돌리면 키넥트처럼 적외선을 이용해 위치 변화를 알아내요. 마찬가지로 위치 정보가 컴퓨터를 거쳐 드론에 달린 카메라에 전송돼 카메라 렌즈의 방향이 바뀐답니다.

연세대학교 전기전자공학과 제어공학연구실 김재승 연구원은 “매일 연구실 안에 있는 시간이 많아 답답하고 지루했다”며, “실내에서도 세계 곳곳을 여행하는 기분을 느낄 수 없을까 고민하다가 가상현실 드론을 생각하게 됐다.”라고 기술이 탄생한 배경에 대해 말했어요.
 

드론 미래는 어떤 모습일까?

이제는 드론으로 가상현실까지 경험할 수 있다니 정말 놀랍지? 그렇다면 과연 미래에는 어떤 드론이 만들어질까? 지금부터 나와 함께 미래의 드론은 어떤 모습으로 발전할지 상상해 보자!
 

드론, 인공위성을 대신하다!

지금은 드론이 항공기처럼 상공에서만 날 수 있지만, 미래에는 우주를 날아다닐 수도 있어요. 만약 드론이 정말 우주를 비행할 수 있다면 인공위성이 하는 일을 대신할 수 있지요. 현재 인공위성을 우주에 보내기 위해서는 엄청난 비용을 들여 로켓을 발사해야 해요. 하지만 드론은 직접 날아서 갈 수 있기 때문에 로켓과 같은 발사체가 필요 없고, 개발 비용도 훨씬 저렴하지요. 그렇게 되면 현재 위성이 하고 있는 통신, 방송, 기상, 과학, 지구관측 등의 역할을 드론이 대신 하게 될 거예요.

드론을 활용해 통신망을 넓히려는 시도는 이미 시작됐어요. SNS 서비스 회사인 페이스북은 태양열로 비행하는 글라이더 모양의 드론 ‘아퀼라’를 만들었어요. 아퀼라는 약 18~28km 높이의 상공에서 날면서 통신망이 갖춰지지 않은 곳에 무선인터넷을 보급하는 역할을 할 예정이에요. 올해 3월 아퀼라는 시범 비행을 성공적으로 마쳤답니다.

인터넷 검색 서비스 기업인 구글은 열기구 모양의 지름 15m 헬륨 풍선을 공중에 띄워 지상에서 인터넷을 사용할 수 있게 해주는 ‘프로젝트 룬’을 진행 중이에요. 인터넷 통신망을 설치하기 어려운 개발도상국 사람들을 위해서죠. 현재 전세계 인구 72억 명 중에 인터넷을 이용하는 사람은 28억 명뿐이에요. 드론을 이용한 무선인터넷 기술이 완성되면 지금보다 훨씬 더 많은 사람이 쉽고 편리하게 인터넷을 이용할 수 있겠죠?

우주의 소문난 일꾼 드론

미래에는 숨어 있던 두 팔이 밖으로 쭉 튀어나오는 변신 드론이 개발될 수도 있어요. 변신 드론은 우주정거장이나 인공위성 같은 우주 구조물을 수리할 수 있지요. 수리가 필요한 곳이라면 어디든 날아가서 일할 수 있으니 정말 효율적이죠?

3D 프린터를 이용하면 우주에서 직접 드론을 만들 수도 있을 거예요. 현재 국제우주정거장에는 실제로 3D 프린터가 설치돼 있어요. 물론 지금 있는 3D 프린터는 플라스틱 재료로만 물건을 만들 수 있어요. 하지만 금속을 출력하는 3D 프린터와 같은 기술이 지금보다 더욱 발전한다면 우주에서도 드론을 척척 만들어 낼 수 있을 거예요.

앞으로 또 어떤 드론들이 탄생할까? 친구들도 드론과 함께할 미래를 상상해 봐~!
 

드론, 바르게 이용하려면?

최근 드론을 이용하는 사람이 많아지면서 드론과 관련된 사건 사고가 늘어나고 있어요. 건물에 부딪치거나 사람이 다치는 등 피해를 입는 일도 많아졌지요. 심지어 몰래 다른 사람의 모습을 촬영하거나 테러 같은 나쁜 일에 드론을 쓰는 사람들도 생겨났어요. 과학자들은 드론이 악용되는 걸 막기 위한 대책을 마련하기 위해 노력 중이랍니다.

또한 나라별로 드론 규정이 있어요. 우리나라에서는 사람이 많은 곳이나 휴전선 주변과 같은 비행금지 구역, 그리고 비행장 반경 9.3km 이내에서는 드론 비행이 금지돼 있어요. 또한 150m 이하의 상공에서 밝은 낮에만 날릴 수 있지요. 이를 위반하면 200만 원 이하의 과태료가 부과된답니다.