제1부 비행체 기술 기반

1.33 다중 모드 비행 로봇: 퍼칭·벽면 부착·주행-비행·수중-공중 이동

1.33.1 이 장에서 배우는 것 / 선수 지식 / 특히 중요한 독자

이 장은 제1부(비행체 기술 기반)에 추가한 장이다. 멀티콥터는 어디든 빨리 간다. 그러나 한자리에 머무는 데 가장 비싼 기계이기도 하다. 2 kg 쿼드콥터는 공중에 떠 있기만 해도 약 270 W를 사용한다(1.7.7.1). 새는 나뭇가지에 앉아 쉬고, 곤충은 벽에 붙고, 물새는 헤엄친다. 이 장은 비행 로봇이 비행 말고 다른 이동 방식을 함께 갖추는 다중 모드 이동(multimodal locomotion)을 다룬다. 앉기(퍼칭), 벽과 천장에 붙기, 땅에서 구르거나 걷기, 물에 들어갔다 나오기가 그 방식이다.

배우는 것:

• 왜 섞는가 — 호버 동력과 운반 비용(cost of transport)으로 본 "옮겨 가기"와 "머무르기"의 비용 차이.
• 퍼칭 — 새 발을 닮은 그리퍼, 미세 갈고리, 건식 접착, 정전 흡착의 원리와 착지 동역학, 퍼칭 시간 비율에 따른 임무 지속 시간.
• 벽면·천장 부착 — 추력을 기울여 마찰로 버틸 때 얼마나 아끼는가, 추력 없이 붙는 장치와의 차이.
• 주행-비행 — 바퀴·구름 케이지·다리의 에너지와 연구 사례.
• 수중-공중 이동 — 물과 공기의 밀도비 816이 프로펠러·모터·부력에 주는 문제와 해법.
• 설계 대가 — 장치 질량, 복잡성, 모드 전환 제어, 그리고 "착륙이 아닌 부착"이 운용 규제에서 무엇인지.

선수 지식: 호버 동력과 디스크 하중은 1.2(1.2.3), 2 kg 쿼드콥터의 호버 동력·체공 계산은 1.7.7.1, 전진 비행 동력 곡선은 1.2.6이다. 초소형·날갯짓·생체모방 비행체는 1.13, 공중 매니퓰레이션과 접촉 점검의 힘 제어는 2.4, 계류형으로 체공을 늘리는 다른 길은 1.14, 수상 착수 같은 회수 방식은 1.10이 다룬다. 다리·바퀴 로봇의 일반 이론은 자매서 robotics의 제14부(공중 로봇)와 이동 로봇 부가 맡는다.

특히 중요한 독자: 엔지니어는 1.33.3의 식과 1.33.9의 워크스루를 따라 계산한다. 군 운용·사업 담당자는 1.33.2·1.33.10·1.33.11·1.33.12에서 어떤 임무에 어떤 모드가 값어치가 있는지를 본다. 정책·법무 담당자는 1.33.14의 "부착은 착륙인가" 질문을 본다.

기준 시점과 정직성. 이 장은 2026년 10월을 기준으로 작성한 기술 장이며 집필에 사용한 지식은 2026년 중반까지다. 연구 사례는 논문 서지와 소속 기관의 발표, 보도로 확인한 범위만 작성했고, 성능 수치는 연구진·기관이 밝힌 값이라 (공개 주장치)로 표시했다. 계산은 1.7의 2 kg 가상 기체에 이 장이 장치 질량·구름 저항·효율을 가정으로 더한 것이며 파이썬 표준 라이브러리 math로 돌렸다(mil-uam/fig-src/1.33-calc.py 외). 법령 해석이 갈리거나 확인하지 못한 사항은 (확인 필요)로 표시했다.

1.33.2 개념·직관 — 호버는 비싸다

비행 로봇의 하루는 두 가지 일로 나뉜다. 옮겨 가기와 머무르기다. 멀티콥터는 옮겨 가기에 뛰어나다. 장애물을 넘고 지형을 가리지 않고 초속 십수 미터로 간다. 그러나 감시·점검·측정 임무의 대부분은 머무르기다. 한 지점을 오래 보거나, 구조물 표면에 센서를 대거나, 다음 지시를 기다린다. 이때도 멀티콥터는 거의 같은 동력을 사용한다. 호버 동력은 무게의 $3/2$제곱에 비례하고(1.2.3), 그 동력이 체공을 20분 안팎으로 묶는다(1.7.7).

자연은 이 문제를 이동 방식을 섞어 푼다. 맹금류는 높은 가지에 앉아 사냥감을 기다리고, 박쥐와 곤충은 천장과 벽에 붙어 쉬며, 가마우지는 날다가 물에 들어간다. 다중 모드 비행 로봇은 같은 원리를 사용한다. 비행으로 옮겨 가고, 머무는 일은 싼 모드에 맡긴다. 이 장의 계산으로 2 kg 기체가 나뭇가지에 앉아 센서만 켜 두면 전력은 270 W에서 15 W로, 18분의 1로 준다.

대가도 분명하다. 그리퍼·바퀴·방수 장치는 질량이다. 질량은 비행할 때마다 호버 동력으로 돌려받는다. 모드가 늘면 기구와 제어가 복잡해지고, 모드 사이의 전환이 새로운 고장 지점이 된다. 그래서 다중 모드는 "언제나 낫다"가 아니라 임무에서 머무르기의 비중이 충분히 클 때 이득이다(1.33.5).

세 축의 관심은 다르다. 군용 드론은 은밀한 장시간 관측(앉아 있으면 소리와 열이 거의 없다, 5.6), 지하 시설과 건물 내부 탐색, 해양의 기뢰 대응 같은 물을 넘나드는 임무에 관심을 둔다. 미 해군은 2016년 소기업 연구 과제(N16A-T025)로 폭발물 처리·기뢰 대응용 공중-수중 겸용 무인기 개발을 공모했다. 민간 UAS는 교량·구조물 점검(부착), 창고·실내·지하(주행-비행), 생태·해양 조사(퍼칭·수중)에 사용한다. AAM에는 거의 해당하지 않는다. 유인 기체가 벽에 붙거나 물에 들어갈 일은 없다. 도로 주행과 비행을 겸하는 플라잉카가 같은 발상의 유인판이지만 그것은 15.24이 다룬다.

1.33.3 원리 — 옮겨 가는 비용과 머무는 비용

결론부터: 이동 방식의 효율은 운반 비용(COT, cost of transport)으로 비교한다. 단위 무게를 단위 거리만큼 옮기는 데 드는 에너지다. 그러나 머무르기는 거리가 0이라 운반 비용으로는 잴 수 없다. 머무르기는 유지 전력으로 비교한다. 두 지표를 나눠 보면 왜 섞는지가 드러난다.

$$\mathrm{COT}=\frac{P}{m\,g\,v}$$

무차원 수다(Gabrielli와 von Kármán이 1950년에 비교한 "비저항"(specific resistance)과 같다). 비행의 전력은 1.2와 1.7.7.1의 식을 사용한다.

$$P_h=\frac{W^{3/2}}{\mathrm{FM}\,\eta\,\sqrt{2\rho A}}+P_{\mathrm{aux}},\qquad \frac{\Delta P_h}{P_h}\approx\frac32\,\frac{\Delta m}{m}$$

두 번째 식이 다중 모드의 질량 대가다. 장치 질량이 기체의 10 %면 호버의 비행 동력은 약 15 % 는다.

벽에 기대어 추력을 아끼는 경우. 추력 $T$를 수평에서 $\alpha$만큼 위로, 벽 쪽으로 기울여 밀면 벽이 수직 항력 $T\cos\alpha$를 돌려주고, 마찰이 $\mu T\cos\alpha$까지 무게를 받친다.

$$T\sin\alpha+\mu\,T\cos\alpha=W\ \Rightarrow\ T_{\min}=\frac{W}{\sqrt{1+\mu^2}}\quad(\tan\alpha=1/\mu)$$

퍼칭 시간 비율과 임무 지속 시간. 사용 에너지 $E$를 가진 기체가 시간의 $p$만큼 앉아 있으면 다음과 같다. 퍼칭 장치가 호버 동력을 $P_h$에서 $P_h'$로 올리므로 손익분기 비율 $p^*$가 있다.

$$t=\frac{E}{(1-p)\,P_h'+p\,P_p},\qquad p^*=\frac{P_h'-P_h}{P_h'-P_p}$$

식이 말해 주는 것은 셋이다. 첫째, 빨리 갈수록 운반 비용이 줄어드는 비행과 달리, 땅에서는 구름 저항이 작아 구동 에너지가 비행의 10분의 1 이하다. 둘째, 그러나 느린 이동에서는 보조 전력이 분모의 작은 $v$에 나뉘어 운반 비용을 지배한다. 셋째, 벽 마찰로 추력을 기울이는 것은 $\mu=1$이어도 추력의 29 %만 아낀다. 진짜 절약은 추력을 끄는 데서 나온다.

1.33.4 이동 방식의 분류

다중 모드 비행 로봇은 비행을 기본 모드로 두고 다른 모드를 하나 이상 더한다. 아래 지도는 이 장의 네 갈래를 정리한다.

벽에 탐촉자를 대고 일정한 힘을 유지하는 접촉 점검은 이 장이 아니라 2.4이 다룬다. 이 장의 부착은 기체가 표면에 머무는 것이 목적이고, 2.4의 접촉은 힘을 정확히 대는 것이 목적이다.

1.33.5 퍼칭 — 앉아서 기다리기

1.33.5.1 붙잡는 방법

공개 연구에서 확인한 대표 사례는 다음과 같다. Stanford의 SNAG는 송골매의 다리를 본뜬 그리퍼를 쿼드콥터에 단 것이다. 착지 충격을 힘줄 같은 기구가 쥐는 힘으로 바꾸어 능동 제어 없이 가지를 감아쥐고, 물체를 잡아 나르기도 한다(Roderick·Cutkosky·Lentink, Science Robotics, 2021). 쥐는 데 걸리는 시간은 보도마다 20 ms·50 ms 미만으로 다르다 (공개 주장치). Harvard의 RoboBee는 약 100 mg 기체에 13.4 mg의 정전 흡착 장치를 달아 천장과 돌출부 아래에 붙었다(Graule 외, Science, 2016). 연구진은 붙어 있는 데 비행보다 약 1,000배 적은 전력이 든다고 밝혔다 (공개 주장치). 장치가 기체 위에 있어 천장·돌출부 아래에만 붙을 수 있었다.

1.33.5.2 착지 동역학 — 쥐는 시간과 정지 거리

퍼칭의 순간은 짧다. 접근 속도 $v$로 들어와 그리퍼의 유연한 정지 거리 $d$ 안에 멈춘다고 보면(등감속 가정) 감속도는 $v^2/2d$, 정지 시간은 $2d/v$다.

읽을 것이 둘이다. 첫째, 초속 1 m로 들어와 2 cm 안에 멈추면 정지 시간이 40 ms다. 그리퍼가 닫히는 시간이 이와 같은 규모여야 한다. SNAG처럼 착지 충격 자체로 닫히는 수동 기구가 사용되는 이유다. 센서로 접촉을 감지하고 모터로 닫으면 감지·판단·구동 지연이 이 시간 버짓을 소비한다. 둘째, 빠르게 들어올수록 감속도가 제곱으로 커져 구조와 탑재 센서에 충격이 간다. 정지 거리를 늘리는 유연한 다리·발목이 그래서 필요하다. 접근 궤적 자체는 위치 오차가 작아야 하므로 정밀 착지와 같은 문제다(2.7).

1.33.5.3 퍼칭 시간 비율과 임무 지속 시간

2 kg 기준 기체(호버 270 W, 사용 에너지 81.6 Wh)에 퍼칭 장치 0.15 kg을 더하면 호버 동력이 299 W로 11 % 는다. 퍼칭 중 전력은 센서·링크를 켠 15 W와 저전력 감시 5 W로 가정했다.

손익분기는 $p^*\approx0.10$이다. 시간의 10 %도 앉아 있지 않는 임무라면 퍼칭 장치는 짐일 뿐이다. 반대로 90 %를 앉아 있으면 호버만 하는 기체(18.1분)의 6~8배, 98 %면 13~25배를 버틴다. 이 계산의 비율은 공개 사례와 같은 규모다. 흡착판으로 다른 물체에 "편승해 가는" 공중-수중 로봇의 연구진은 호버 대비 에너지 소모가 공중에서 최대 51.7분의 1로 준다고 보고했다(Li 외, Science Robotics, 2022, (공개 주장치)). 이 장의 모형에서 호버 270 W 대 퍼칭 5 W가 54분의 1이다.

남는 문제는 앉을 곳이다. 계산은 기체가 원하는 때 원하는 곳에 앉는다고 가정했다. 실제로는 시야가 좋은 가지나 난간을 찾고, 앉을 수 있는지 판단하고, 다시 이륙할 수 있어야 한다. 앉을 자리 찾기는 인지 문제(7.1)이고, 거기까지의 비행이 $p$를 깎는다.

1.33.5.4 앉을 곳과 다시 뜨기

퍼칭의 실패는 대개 앉는 순간이 아니라 앉을 곳과 다시 뜨는 순간에서 난다. 앉을 곳은 그리퍼가 감을 수 있는 지름 범위 안에 있어야 하고, 기체가 매달린 자세에서 로터가 가지나 잎에 닿지 않아야 한다. 가는 가지는 기체 무게로 휘고 바람에 흔들린다. 그 흔들림이 감시 영상의 품질을 떨어뜨리고 그리퍼에 반복 하중을 준다. 다시 뜰 때는 로터 후류가 가지를 누르고, 그리퍼를 푸는 순간 기체가 떨어지며 자세를 잡아야 한다. 높은 곳에 앉은 기체는 떨어지면서 로터를 돌려 높이를 속도로 바꾸는 이점이 있지만, 아래에 사람이나 시설이 있으면 그 낙하 구간이 지상 위험이 된다(1.30). 앉기 전에 다시 뜨고 돌아올 에너지를 남겨 두는 것도 계획의 조건이다. 퍼칭 중 배터리는 센서 전력으로 계속 준다.

1.33.6 벽면·천장 부착 — 추력 보조와 장치

벽에 머무는 방법은 둘이다. 추력으로 밀어 마찰로 유지하기와 장치로 붙기다.

추력 보조의 계산은 1.33.3의 식이다. 2 kg 기준 기체에서 결과는 다음과 같다(벽 근처에서 로터 성능이 변하지 않는다고 가정).

추력 보조는 15~38 %를 아낄 뿐이다. 고무 접촉부로 마찰계수 1을 얻어도 체공은 1.6배다. 추력 보조의 값어치는 에너지보다 자세의 안정에 있다. 벽에 닿은 기체는 접촉점이 하나의 지지점이 되어 바람에 덜 흔들린다. 점검 장비를 표면에 대고 오래 머무는 데 도움이 된다. 다만 로터가 벽 가까이에서 유입 흐름이 바뀌는 벽 효과는 단순 모형으로 넣지 않았다 (확인 필요). 천장 아래에서는 로터 추력이 늘어나는 천장 효과가 실험으로 보고되어 있고, 천장에 바짝 붙어 머무는 연구에 사용된다. 그 크기는 형상과 거리에 따라 달라 이 장에서 수치로 나타내지 않는다 (확인 필요).

장치로 붙기는 퍼칭과 같은 원리를 벽에 사용한다. Stanford의 SCAMP는 미세 갈고리로 실외의 수직 벽에 내려앉고, 벽을 기어오르고, 다시 이륙한다. 부딪히는 순간 로터가 기체를 벽 쪽으로 밀어 갈고리가 걸리게 하고, 걸린 뒤에는 로터를 끈다고 보도되었다(Stanford BDML, 2016 발표, 학술지 서지 (확인 필요)). 추력은 붙는 순간에만 사용하고 머무르는 동안은 끄는 구조다. 교량 하부·터널 천장 같은 점검 현장에서는 붙은 뒤 짧은 거리를 기어 옮기는 능력이 값지다. 자리를 옮길 때마다 이륙하고 다시 붙으면 그때마다 추력과 접근 비행이 들기 때문이다.

1.33.7 주행-비행 — 바퀴·구름 케이지·다리

1.33.7.1 에너지

땅에서의 이동은 구름 저항만 이기면 된다. 2 kg 기체에 바퀴(0.25 kg, 구름 저항계수 0.03, 구동 효율 0.5)를 단 경우와, 기체를 감싼 구름 케이지(0.30 kg, 구름 저항계수 0.05)를 로터 추력으로 미는 경우를 비행과 비교했다. 케이지를 미는 추력은 작아서 로터·모터의 효율이 떨어지므로 저부하 효율을 0.3으로 가정했다.

비행 동력은 1.2.6의 전진 동력 곡선을 이 기체의 호버 동력에 맞춘 것이다. 표가 주는 교훈은 셋이다. 첫째, 구동 에너지만 보면 바퀴가 비행보다 11배 싸다(0.06 대 0.68). 둘째, 그러나 바퀴는 느리다. 초속 1.5 m로 가는 동안 전자 장비가 15 W를 사용하면 1 km당 에너지는 최대 항속 비행(3.9 Wh)과 비슷한 3.1 Wh가 된다. 넓은 곳을 멀리 가는 일은 여전히 비행이 낫다. 셋째, 주행이 압도적으로 이기는 곳은 어차피 빨리 날 수 없는 곳이다. 실내·지하·숲 속에서 초속 3 m로 비행하면 1 km에 24 Wh가 들지만 같은 속도의 바퀴 주행은 1.8 Wh, 13분의 1이다. 시간으로 보면 더 크다. 바퀴로 굴러다니는 기체는 같은 배터리로 4~5시간을 지속하고, 호버만 하는 기체는 18분이다.

1.33.7.2 구조와 사례

구름 케이지는 기체를 회전하는 구형·원통형 틀에 넣고, 같은 로터로 땅에서는 굴러가고 장애물 앞에서는 날아오른다. 별도의 작동기가 없어 질량이 적게 는다. Illinois Institute of Technology의 HyTAQ는 이 방식으로 비행 전용 기체보다 약 4배 먼 거리를, 약 6배 긴 시간을 움직였다고 보도되었다(Kalantari·Spenko, ICRA 2013, (공개 주장치)). 케이지는 충돌 보호도 겸한다. 실내 비행에서 프로펠러 가드가 체공을 15 % 깎는다는 4.10의 계산이 여기서는 이동 모드의 대가로 바뀐다.

전용 바퀴는 작동기가 따로 있어 무겁지만 로터를 돌리지 않으므로 먼지를 일으키지 않는다. DARPA 지하 챌린지(SubT)에 나선 NASA JPL 주도의 Team CoSTAR는 수동 바퀴 둘로 구르다 장애물은 날아 넘는 Rollocopter와, 바퀴 작동기를 따로 달아 프로펠러가 일으키는 먼지를 줄이되 비행 시간을 조금 잃는 Drivocopter를 함께 사용했다(Team CoSTAR의 NeBula 보고서, 2021). 지하 탐사의 상세는 7.14이 다룬다. Caltech의 M4(Sihite 외, Nature Communications, 2023)는 바퀴 넷이 옆으로 접혀 프로펠러가 되는 방식으로, 굴러가기를 가장 효율적인 기본 모드로 두고 필요할 때 날거나 바퀴를 다리처럼 사용해서 몸을 세운다. 보도된 질량은 약 6 kg이다 (공개 주장치).

다리는 바퀴가 못 가는 곳(계단·잔해·가지)과 도약 이륙에 사용된다. Caltech의 LEONARDO는 관절 셋을 가진 두 다리와 어깨의 프로펠러 넷을 결합해 외줄을 걷고 스케이트보드를 탔다(Kim 외, Science Robotics, 2021). 연구진 스스로 걷는 동안 프로펠러로 균형을 잡아 에너지 효율이 낮다고 밝혔다. EPFL의 RAVEN은 새의 다리를 본뜬 다리를 단 0.62 kg 고정익으로, 걷고 깡충 뛰고 도약해 활주로나 발사 장치 없이 이륙한다(Shin 외, Nature, 2024, 질량 (공개 주장치)). 고정익의 발진 문제(1.10)를 다리로 푸는 시도다.

1.33.8 수중-공중 이동 — 밀도비 816의 문제

물과 공기는 밀도가 약 816배 다르다(1,000 대 1.225 kg/m³). 이 한 숫자가 설계의 거의 모든 것을 바꾼다.

프로펠러와 모터. 추력과 토크는 $T=C_T\rho n^2D^4$, $Q=C_Q\rho n^2D^5$로 밀도에 비례한다. 공중용 프로펠러를 같은 회전수로 물속에서 돌리면 추력·토크가 816배가 되어 모터가 멈춘다. 토크를 공중과 같게 두면 회전수는 $\sqrt{816}\approx28.6$분의 1로 내려가고, 이때 추력은 공중과 같고 동력은 3.5 %다. 물속 추진은 동력이 싸다. 문제는 모터다. 공중용 고속 모터를 28분의 1 회전수로 돌리면 같은 토크에 같은 전류가 흘러 저항 손실은 그대로인데 기계 출력은 28분의 1이다. 효율이 붕괴한다. 해법은 셋이다. ① 감속 기어로 회전수를 바꾼다. 홍콩중문대와 퉁지대의 TJ-FlyingFish는 기울일 수 있는 추진 장치마다 2단 변속 기어를 넣었다(ICRA 2023). 공개된 성능은 1.63 kg, 호버 약 6분, 수중 약 40분, 최대 수심 3 m, 수중 속도 2 m/s다 (공개 주장치). ② 물속용 추진기를 따로 둔다. 질량이 는다. ③ 프로펠러가 물속에서 접히게 한다. Li 외(2022)의 공중-수중 로봇은 물속에서 수동으로 접히고 공중에서 펴지는 프로펠러를 사용했다.

부력. 2 kg 기체가 물속에서 중성 부력이 되려면 2.0 L를 배수해야 한다. 가라앉고 떠오르는 일을 추력으로 하면 계속 동력이 든다. Oakland University의 Loon Copter는 물을 받아들이고 내보내는 밸러스트로 밀도를 바꿔 가라앉고 떠올랐다(2014년 시작한 연구, 서지 (확인 필요)). 부력실은 공중에서는 그대로 무게다.

물 출입. 들어갈 때는 수면 충격과 갑작스러운 저항 증가를, 나올 때는 젖은 프로펠러로 물 밖에 몸을 들어 올리는 순간을 넘어야 한다. 나오는 순간에는 일부만 물에 잠긴 프로펠러가 큰 토크를 받고, 기체에 고인 물이 무게를 늘린다. 날개가 있는 기체는 더 어렵다. Imperial College의 AquaMAV 연구는 100 g 기체가 이산화탄소로 물 분사 추진기를 작동해 초속 11 m 이상으로 물을 박차고 나온 뒤 날개를 펴게 했다(Siddall·Kovač, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2016). 물 위에 떠 있기는 가장 싼 머무르기다. 부력으로 무게를 받치므로 로터를 끄고 센서만 켜 두면 퍼칭과 같은 전력으로 수면을 관측한다. 수상 착수 회수(1.10)와 같은 방수 설계 위에서 가능하고, 파도와 바람에 떠밀리는 표류를 감수해야 한다. 방수·부식(염수), 수중 통신·항법의 단절도 함께 온다. 전파는 물속에서 거의 나가지 않으므로 수중 구간은 자율 비행 아닌 자율 항행이 되고, 위치는 관성·깊이계·도플러 속도계 같은 수중 항법에 의존한다(TJ-FlyingFish가 이 구성을 공개했다).

1.33.9 수치 예시·워크스루 — 2 kg 기체에 모드를 더할 때

1.7.7.1의 2 kg 쿼드콥터(호버 270 W, 사용 에너지 81.6 Wh, 체공 18.1분)에 모드를 하나씩 더한다고 하자. 가정과 결과를 한 표에 모은다.

계산 순서는 이렇다. ① 장치 질량을 더해 $P_h\propto W^{3/2}$로 호버 동력을 다시 구한다(1.33.3). ② 그 모드의 머무르기·이동 전력을 구한다. ③ 임무의 시간 배분(옮겨 가기·머무르기·느린 이동)을 정한다. ④ 사용 에너지를 평균 전력으로 나눈다.

예를 들어 건물 안을 점검하는 임무가 "초속 3 m 비행 20 %, 초속 1.5 m 주행 50 %, 정지 관측 30 %"라고 하자. 바퀴를 단 기체(2.25 kg)의 평균 전력은 $0.2\times308+0.5\times17+0.3\times15\approx74.6$ W이고, 지속 시간은 $81.6/74.6=1.09$시간이다. 같은 일을 날면서만 하면(초속 3 m 비행 20 %, 초속 1.5 m 비행 50 %, 호버 30 %) 평균 약 267 W로 18.3분이다. 임무의 80 %가 땅 위에서 느리게 가거나 멈춰 있다면 바퀴는 지속 시간을 3.6배로 늘린다. 반대로 넓은 들판을 최대 항속으로 훑는 임무라면 바퀴 0.25 kg은 비행 시간을 19.5분에서 16.5분으로 깎을 뿐이다.

이 숫자들은 질량·효율·구름 저항을 가정한 원리 계산이다. 실제 기체의 값은 시험으로 정한다. 모드 전환에 드는 시간과 에너지(퍼칭 접근, 이륙, 수면 출입), 장치의 고장, 표면 조건에 따른 실패는 넣지 않았다.

1.33.10 응용 — 어떤 임무에 어떤 모드인가

응용마다 모드를 구분하는 질문은 둘로 줄어든다. 첫째, 임무 시간에서 머무르기와 느린 이동의 비중이 얼마인가. 1.33.9의 계산처럼 이 비중이 크면 다중 모드가 체공을 몇 배로 늘리고, 작으면 장치 질량만 남는다. 둘째, 줄을 끌거나 교대할 수 있는가. 지상 기지 가까이에서 한곳을 오래 보는 일은 계류형(1.14)이, 넓은 지역의 상시 감시는 여러 대의 교대(16.14)가 더 단순하다. 다중 모드는 이 두 해법이 닿지 않는 곳에서 값어치가 가장 크다.

성숙도는 모드마다 다르다. 충돌을 견디는 케이지형 실내 점검 기체는 상용 제품이 나와 있다. 그러나 이 장의 퍼칭·부착·수중-공중 사례는 대부분 대학 연구실의 시제와 시연이다. 공개된 성능은 실험실 조건의 값이고, 현장의 비·먼지·바람에서의 반복 성공률은 공개 자료가 적다 (확인 필요).

1.33.11 설계 트레이드오프 — 무엇을 섞을 것인가

모드를 더하는 방식은 세 갈래다.

① 장치를 덧붙인다. 기존 비행체에 그리퍼·바퀴·케이지를 단다. 설계가 단순하고 떼어 낼 수 있다. 질량이 그대로 더해진다. 연구와 소량 운용에 많다.

② 같은 부품을 두 모드에 사용한다. 로터로 케이지를 굴리고(HyTAQ), 바퀴를 접어 프로펠러로 사용하고(M4), 착지 충격으로 그리퍼를 닫는다(SNAG). 질량 대가가 작다. 대신 한 부품이 두 조건에서 모두 최적일 수 없고, 형태를 바꾸는 기구가 새 고장 지점이 된다.

③ 모드에 맞춘 전용 형상을 만든다. 수중-공중 전용 기체처럼 처음부터 두 매질을 위해 설계한다. 성능은 좋지만 범용성이 떨어지고 생산 규모가 작다.

모드 전환은 따로 따져야 한다. 제어기는 모드마다 다르다. 비행 중에는 2.2의 캐스케이드가, 주행 중에는 바퀴 속도 제어가, 퍼칭 중에는 거의 아무것도 돌지 않는다. 전환 순간에는 둘이 중첩된다. 착지 순간 접촉 판정이 늦으면 제어기가 땅을 밀어 기체가 튀고, 수면을 나오는 순간의 추력 부족은 다시 물에 빠지는 것으로 끝난다. 전환 논리는 상태 기계로 짜고(2.10.8), 전환 조건의 오판을 고장 모드로 다룬다(2.5).

견해: 다중 모드는 임무가 머무르기 중심일 때만 택하는 편이 낫다고 본다. 근거는 이 장의 계산이다. 퍼칭은 앉아 있는 비율이 손익분기 10 %를 넘어야 이득이고, 바퀴는 느린 이동이 임무의 큰 몫일 때만 이긴다. 넓은 지역을 빨리 훑는 임무에서는 장치 질량이 그대로 손해다. 그 밖의 경우에는 다른 해법이 먼저 검토될 만하다. 오래 머무는 것만이 목적이면 계류형(1.14)이 전력 문제를 통째로 없애고, 여러 대를 교대시키는 운용(16.14)이 기체 하나를 복잡하게 만드는 것보다 쌀 수 있다. 다중 모드가 확실히 이기는 곳은 계류도 교대도 어려운 곳, 곧 지하·건물 안·숲 속·물 아래처럼 줄을 끌 수 없고 기지와 멀리 떨어진 곳이다.

1.33.12 세 축 비교

1.33.13 관련 규격·프로토콜

다중 모드 이동만을 다루는 표준은 확인하지 못했다. 관련되는 것은 기체 상태를 알리는 프로토콜과 환경 시험 규격이다.

수중 구간이 있는 기체는 항공 규격과 해양 장비 규격의 경계에 선다. 어느 쪽을 적용할지는 운용 주체와 용도에 따라 달라진다 (확인 필요). 규격 전체의 지도는 9.1, 색인은 A.6에 있다.

1.33.14 관련 규제·인증 요구와의 연결

다중 모드 로봇은 규제가 전제한 "이륙 → 비행 → 착륙"의 순서를 흐린다. 아래 질문들은 이 장 기준 시점에 공개된 규정으로 명확히 답하기 어려운 것들이다. 해석은 관할과 사안에 따라 다르므로 모두 (확인 필요)로 둔다.

인증 관점에서는 모드 전환 논리가 소프트웨어 보증의 대상이 된다(8.8). 착지·부착 판정을 잘못해 비행 중에 로터를 끄는 고장은 치명적이므로 고장 분석(8.4)의 상위 위험으로 다룬다.

1.33.15 함정과 한계

이 장의 한계도 밝혀 둔다.

• 에너지 모형은 단순하다. 로터 효율을 부하와 무관하게 두었고(케이지만 예외), 벽·천장 효과, 모드 전환의 에너지, 배터리의 온도·노화를 넣지 않았다.
• 연구 사례의 수치는 연구진·기관의 발표값이다. 측정 조건이 서로 달라 직접 비교하지 않았다.
• 앉을 곳 찾기·전환 판단의 인지 문제는 다루지 않았다. 이것이 실제 성능을 정하는 경우가 많다.

1.33.16 체크포인트·연구 질문

체크포인트

1. 운반 비용 $P/(mgv)$로 호버를 평가할 수 없는 이유는 무엇이며, 머무르기는 무엇으로 비교하는가?
2. 장치 질량이 기체의 10 %일 때 호버 동력이 약 15 % 느는 이유를 식으로 설명하라.
3. 벽에 추력을 기울여 마찰로 버틸 때 최소 추력이 $W/\sqrt{1+\mu^2}$임을 유도하고, $\mu=1$에서 아끼는 동력을 어림하라.
4. 퍼칭 장치를 단 기체의 손익분기 퍼칭 비율 $p^*$의 식을 작성하고, 이 장의 값(약 0.1)이 왜 그렇게 나오는지 말하라.
5. 같은 토크로 물속에서 프로펠러를 돌리면 추력과 동력이 어떻게 되는가? 그런데도 공중용 모터를 그대로 사용하기 어려운 이유는?
6. 다중 모드보다 계류형이나 교대 운용이 나은 임무와, 그 반대인 임무를 하나씩 들어라.

연구 질문 — 이 장에서 파생되는 열린 주제(25.7에 모은다)

1. 앉을 자리의 자율 판단 — 비행 로봇이 가지·난간·벽면을 보고 앉을 수 있는지, 앉으면 관측에 유리한지를 실시간으로 판단하는 인지·계획은 어떻게 설계하고 검증하는가?
2. 모드 전환의 안전 보증 — 착지·부착·수면 출입 판정의 오류를 어떻게 정량화하고 런타임 보증(7.8)으로 감쌀 수 있는가?
3. 부착 상태의 규제 정의 — 퍼칭·부착 상태를 비행 기록·Remote ID·비행 승인에서 어떻게 정의해야 하는가? 상시 감시 우려와 어떻게 균형을 잡는가?
4. 현장 강건성의 공개 지표 — 젖음·먼지·바람·표면 거칠기에 대한 퍼칭·부착 성공률을 비교할 수 있는 공개 시험 절차를 만들 수 있는가?

1차 출처(이 장)

• Roderick, W. R. T.; Cutkosky, M. R.; Lentink, D., "Bird-inspired dynamic grasping and perching in arboreal environments", Science Robotics, 6(61), 2021.
• Graule, M. A. 외, "Perching and takeoff of a robotic insect on overhangs using switchable electrostatic adhesion", Science, 2016.
• Li, L. 외, "Aerial-aquatic robots capable of crossing the air-water boundary and hitchhiking on surfaces", Science Robotics, 2022.
• Kim, K. 외, "A bipedal walking robot that can fly, slackline, and skateboard", Science Robotics, 2021.
• Shin, W. D.; Phan, H.-V.; Daley, M. A.; Ijspeert, A. J.; Floreano, D., "Fast ground-to-air transition with avian-inspired multifunctional legs", Nature, 636, 2024.
• Sihite, E. 외, "Multi-Modal Mobility Morphobot (M4) with appendage repurposing for locomotion plasticity enhancement", Nature Communications, 2023 (제목 표기 확인 필요).
• Kalantari, A.; Spenko, M., "Design and experimental validation of HyTAQ, a Hybrid Terrestrial and Aerial Quadrotor", ICRA 2013.
• Siddall, R.; Kovač, M., "Fast aquatic escape with a jet thruster", IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2016.
• TJ-FlyingFish 연구진, "TJ-FlyingFish: Aerial-Aquatic Quadrotor With Tiltable Propulsion", ICRA 2023(홍콩중문대·퉁지대 발표).
• Agha, A. 외(Team CoSTAR), "NeBula: Quest for Robotic Autonomy in Challenging Environments; TEAM CoSTAR at the DARPA Subterranean Challenge", arXiv:2103.11470, 2021.
• Gabrielli, G.; von Kármán, T., "What price speed? Specific power required for propulsion of vehicles", Mechanical Engineering, 1950.
• 미 해군 소기업 연구 과제 N16A-T025, "Hybrid Unmanned Air / Underwater Vehicle for Explosive Ordnance Disposal (EOD) and Mine Countermeasures (MCM)", 2016(navysbir.com 게시, 과제 유형 (확인 필요)).

출처를 찾고 판을 추적하는 방법은 0.9에서 다룬다.

다음 장: 제1부는 여기서 끝난다. 목차 순서로는 제2부의 첫 장 2.1으로 넘어가 비행동역학을 수학 모델로 옮기고 비행시험 자료로 식별하는 법을 본다. 이 장의 모드 전환 제어는 2.2의 캐스케이드와 2.10의 상태 기계 위에 서고, 앉을 자리를 찾는 인지는 7.1, 지하에서 주행-비행 로봇이 맡는 탐사는 7.14이 이어 받는다.