스매시 형 갯가재의 타격 메커니즘을 모방한 자율 유리파괴 드론 시스템

목표 및 제작 동기

본 서비스는 고층 건물이나 밀폐된 구조물에서 화재 시, 소방대원의 안전한 진입로를 확보하기 위한 700g 내외의 특수 목적 소형 드론입니다. 스매시형 갯가재(Mantis Shrimp)가 순식간에 에너지를 방출하여 단단한 껍질을 부수는 타격 메커니즘에서 직접적인 영감을 얻었습니다. 드론에는 열감지 센서와 소형 MCU 기반 제어 시스템을 탑재합니다. 기체에 탑재된 열화상 센서가 고온의 발화점을 찾으면, 드론이 창문에 밀착한 뒤 응축된 용수철 에너지를 해제하여 유리를 파괴합니다. 이를 통해 유독가스 배출 및 소방 호스 투입을 위한 골든타임을 확보하며, 인간이 접근하기 힘든 위험한 환경에서 일회용으로 투입되어 재난 대응의 효율성을 높이는 것을 목적으로 합니다. [기대효과] 가장 직접적인 효과는 소방관의 안전 확보와 화재 진압 골든타임을 단축시킬 수 있다는 점입니다. 사람이 물리적으로 닿기 힘든 블라인드 스팟에서 도움을 줄 수 있습니다. 나아가, 비행 중에 수집되는 건물 외벽의 열 분포 데이터와 타격 메커니즘의 행동 결과(유리 파괴 성공 여부, 소요 시간, 필요 타격력 등)를 결합하여 새로운 연결 가치를 창출합니다. 이 데이터는 향후 화재 확산 예측 모델링이나 건축물 외장재 강도 표준화 데이터로 활용될 수 있습니다. 단순한 일회성 파괴 행위에 그치지 않고, 수집된 재난 현장의 환경 데이터와 드론의 물리적 동작 결과가 관제 시스템으로 연결되어 스마트 재난 대응 인프라를 고도화하는 데 기여할 것입니다.

프로젝트 컨셉

**[하드웨어 및 구조 설계]** 기체 프레임은 CAD로 설계한 뒤, 타격 충격을 견딜 수 있도록 충격 흡수율이 높은 TPU 및 카본 복합 소재를 활용하여 3D 프린터로 자체 제작합니다. 드론 비행을 위한 기본 동력계(모터, 프로펠러, ESC)와 비행 컨트롤러(FC)는 300g 내외의 소형 쿼드콥터 규격에 맞춰 배치합니다(상용 부품 결합). 핵심인 유리 파괴 시스템은 갯가재의 '탄성 에너지 축적 및 순간 방출' 원리를 모방한 '솔레노이드 트리거 기반의 스프링 핀 메커니즘'으로 구현하려고 합니다. 기체 전면에 소형 고탄성 스프링과 가이드 레일을 장착하고, 서보모터나 솔레노이드 밸브를 이용해 이를 압축 상태로 고정합니다. 타격 직전 드론이 벽면에 도달하면 고출력 모터가 순간적으로 전진 추력을 최대화하며, 이와 동시에 트리거가 해제되어 스프링 핀이 유리를 타격합니다. **[임베디드 제어 및 센서 시스템]** 기체 상단에는 STM32(ARM Cortex-M 계열) MCU를 탑재하여 독립적인 제어 시스템을 구축하려고 합니다. 소형 열화상 센서(비접촉식)를 통해 전방의 열점을 스캔하고, 아날로그 신호를 디지털로 바꿔서 데이터를 받습니다. MCU 내부 알고리즘은 임계 온도(ex. 60도 이상)를 감지하면 '접근 모드'로 전환하며, 전방 초음파 센서나 ToF(Time-of-Flight) 레이저 센서를 통해 유리창과의 거리가 5cm 이내로 좁혀졌을 때(밀착 상태) 최종 타격 신호를 발생시킵니다. 타격 신호가 트리거 모터를 구동시켜 유리를 파괴합니다. 유리가 파괴된 직후 기체가 중심을 잃고 추락하거나 파손되더라도 통로 확보 임무에 성공한 것입니다. 고가의 장비 대신 소모성 일회용 드론으로 실전성과 경제성을 극대화합니다. [개발 역량] 이번 프로젝트는 기계공학과와 전자공학과의 전공 지식을 유기적으로 융합하여 시스템의 물리적 구현(HW)과 지능적 제어(SW)를 융합한 프로젝트입니다. 먼저 하드웨어(HW)적 개발 역량으로는 700g 내외의 경량 기체의 구조적 안정성과 강력한 타격 메커니즘을 물리적으로 구현하는 역량입니다. 3D CAD를 활용하여 드론 프레임 및 타격 모듈의 내충격 구조를 정밀 설계하고, 3D 프린터를 이용해 실물 기체를 제작합니다. 스매시형 갯가재의 탄성 에너지 방출 원리를 구현하기 위해 고탄성 스프링과 솔레노이드 액추에이터의 기계적 링크 구조를 설계하며, 동역학적 해석을 통해 유리 파괴에 필요한 충격량을 도출합니다. 소프트웨어(SW) 개발 역량으로는 임베디드 제어 및 알고리즘 구현합니다. 다중 센서 데이터를 실시간으로 처리하고 타격 시스템을 지능적으로 제어하는 임베디드 펌웨어 개발 역량입니다. ARM Cortex-M 기반의 STM32 MCU를 메인 플랫폼으로 채택하여, 센서 데이터 수집 및 분석 알고리즘을 C 기반으로 구현합니다. 비접촉식 적외선 열화상 센서의 Array 데이터와 ToF(Time-of-Flight) 레이저 거리 센서의 값을 동시 처리하는 멀티 센서 필터링을 만들어서, 임계 온도 감지 및 밀착 거리 도달 시 타격 신호를 발생시키는 논리 제어 루프를 구축해서 제어 역량을 발휘합니다. [지원 동기] 머릿속에만 존재했던 러프한 아이디어를 실제 물리적인 형태와 제어 능력을 갖춘 Physical AI로 직접 구현해보고자 공모전에 지원하게 되었습니다. 그동안 학부 과정에서 학습해 온 시스템 제어와 하드웨어 설계 등의 지식을 모아서, 학부생 수준에서 만들 수 있는 최고 수준의 하드웨어-소프트웨어 융합 결과물을 만들어내는 것이 목표입니다. 단순하게 조종에 따라 비행하는 드론을 넘어서, 스스로 환경을 인지하고 물리적 구조물에 변화를 일으키는 능동적인 시스템을 개발하는 것이 목표입니다. 엔지니어로서 성장할 수 있는 좋은 계기가 될 것 같습니다. 실패에 부딪히며, 재난 현장에서 인간의 한계를 보완하고 생명을 구하는 기술적인 혁신을 증명해 보이겠습니다.

팀원 기여도

• 김윤수e4ds 회원
• 김찬우e4ds 회원
• 홍유성e4ds 회원