Field Demonstration of a Two-Stage Rotary-Nozzle Dispenser for Aerial Shrimp Feeding

햇살이 내리쬐는 고요한 새우 양식장의 물속에서, 가장 중요한 작업은 동시에 가장 성공하기 어려운 작업이기도 하다. 바로 동물들에게 먹이를 전달하는 것이다. 새로은 소처럼 풀을 뜯어 먹지 않는다. 그들은 먹이가 도착하기를 기다리며, 만약 먹이가 한 곳에만 떨어지거나 잘못된 시간에 도착한다면 그 결과는 막대한 비용 손실로 이어진다. 먹지 못한 음식은 썩어서 물을 오염시키고 동물들을 스트레스 받게 하는 반면, 끼니를 놓친 새우들은 성장이 더뎌진다. 수십 년 동안 농부들은 연못 가장자리에 고정된 기계나 배 위에서 수동으로 던지는 방식에 의존해 왔지만, 이러한 방식들은 현대적인 대형 연못의 넓고 탁 트인 표면을 고르게 커버하는 데 어려움을 겪는다. 과제는 단순히 물속에 먹이를 떨어뜨리는 것이 아니라, 바람과 낙하하는 펠릿의 물리 법칙에 맞서 싸우며 단일 지점에서 먹이를 넓고 일관되게 뿌리는 것이다.

여기서 드론을 사용하는 아이디어가 등장한다. 드론은 이론적으로 연못의 어느 부분에서도 공중에 떠 있을 수 있어 커버리지 문제를 해결할 수 있다. 하지만 단순히 드론에 먹이 통을 매달아 떨어뜨리는 것만으로는 충분하지 않다. 바람이 가벼운 펠릿을 경로에서 멀리 날려 보낼 수 있고, 드론의 회전하는 프로펠러는 아래로 쏟아지는 공기 흐름을 만들어 먹이를 예측 불가능하게 흩뜨릴 수 있다. 진짜 공학적 난제는 드론 내부의 저장 용기에서 배출 지점으로 어떻게 음식을 이동시킬 것인가, 그리고 어떻게 그 배출 지점을 회전시켜 먹이를 넓게 퍼뜨릴 것인가 하는 문제이며, 이 모든 과정이 드론이 진동하고 공중을 이동하는 동안 이루어져야 한다는 점이다.

세이셸의 아일랜드 개발 공사(Islands Development Company)와 인도의 앙가루드 에어로보틱스(Angarud Aerobotics) 연구진은 이 문제를 해결하기 위한 특정 기계적 솔루션을 테스트하기 위해 모였다. 그들은 프로토타입 드론과 특수 제작된 급이 장치를 구축하여, 실제 세계, 특히 코에티비(Coëtivy) 섬의 상업용 새우 양식장에서 이 기계적 구조가 작동할 수 있는지 테스트했다. 그들의 목표는 이 방식이 즉각적으로 돈을 아껴주거나 더 큰 새우를 키울 수 있다는 것을 증명하는 것이 아니라, 더 단순하고 근본적인 질문에 답하는 것이었다. 즉, 드론이 적은 양의 사료를 운반하고, 항공기 내부의 기계를 통해 사료를 이동시키며, 기계가 걸리거나 고장 나지 않고 노즐을 회전시켜 물속으로 방출할 수 있는가 하는 점이었다.

연구진은 사진 촬영이나 점검용으로 흔히 쓰이는 소형 6로터 드론을 제작하여 그 아래에 맞춤형 급이 장치를 부착했다. 이 급이 장치는 독립적으로 작동하는 두 개의 뚜렷한 부분으로 설계되었다. 첫 번째 부분은 작은 전동 푸셔(pusher)로, 마치 부드러운 손처럼 정지된 저장 호퍼에서 하단 챔버로 새우 사료 펠릿을 이동시키는 역할을 한다. 두 번째 부분은 맨 아래에 위치한 회전 터렛으로, 서로 반대 방향을 향하는 두 개의 노즐을 가지고 있다. 이 설계는 무거운 저장통을 직접 회전시킬 필요 없이 작은 배출 노즐만 회전시키도록 되어 있어 매우 영리하다. 이러한 분리는 드론이 사료를 안정적으로 운반하는 동시에 노즐이 회전하며 펠릿을 넓은 호를 그리며 뿌릴 수 있게 해준다.

이를 테스트하기 위해 연구진은 드론에 약 0.5kg의 새우 사료를 실었다. 그 후 드론을 대형 직사각형 모양의 새우 연못 위로 수동 조종하여 비행시켰다. 실험 당일의 날씨는 완벽하게 잔잔하지 않았으며, 바람은 초속 4.0에서 6.7미터 사이로 불고 있었다. 이는 보통 수준의 미풍이다. 바람과 드론 모터의 진동에도 불구하고, 연구진은 세 차례의 별도 비행을 성공적으로 마쳤다. 모든 시험에서 드론은 이륙하여 물 위를 비행했고, 내부의 푸셔가 사료를 하단 챔버로 성공적으로 이동시켰다. 그 다음, 회전 터렛이 돌면서 두 개의 노즐이 드론 아래의 공중으로 펠릿을 방출했다. 기계는 걸리지 않았고, 사료는 걸리지 않았으며, 펠릿은 의도한 대로 떨어졌다.

이 세 차례의 비행 성공은 중요한 진전이었지만, 연구진은 자신들의 주장에 매우 신중했다. 그들은 기계적 연쇄 과정이 작동한다는 것, 즉 드론이 하중을 운반할 수 있고, 푸셔가 음식을 이동시킬 수 있으며, 회전하는 노즐이 이를 방출할 수 있다는 것을 입증했다. 그러나 그들은 사료가 얼마나 잘 분산되는지는 측정하지 않았다고 명시적으로 밝혔다. 펠릿이 완벽한 원형으로 떨어졌는지, 물에 닿을 때 얼마나 부서졌는지, 혹은 바람이 얼마나 정확하게 경로를 벗겨 놓았는지는 알지 못했다. 또한, 0.5kg의 적재량은 실제 상업적 운영에는 너무 적기 때문에 드론이 전체 양식장을 먹일 만큼 오래 비행할 수 있는지도 테스트하지 않았다.

논문은 이 규모의 전체 시스템이 갖추어야 할 모습에 대해, 검증된 사실과 미래 계획을 구분하여 서술해 나간다. 연구진은 향후 드론이 한 번 이동 시 25kg의 사료를 운반해야 하며, 이를 위해서는 이번에 테스트한 것보다 훨씬 크고 강력한 항공기가 필요할 것이라고 제안한다. 그들은 드론이 전용 도크에 착륙하여 대형 사일로로부터 자동으로 사료를 채우고 배터리를 충전하는 완전한 농장 서비스의 비전을 설명한다. 이 미래형 시스템에는 바람에 맞서 각도를 조절할 수 있는 세 개의 조절 가능한 노즐을 갖춘 더 발전된 급이 장치가 포함될 것이다. 이 기능은 소형 프로토타입에는 없던 것이다.

저자들은 이러한 더 크고 복잡한 아이디어들이 현재는 설계와 계산 단계일 뿐임을 분명히 하고 있다. 그들은 25kg을 운반하는 드론은 매우 큰 저장 공간과 강력한 배터리가 필요할 것이라고 계산했다. 또한 드론이 연못의 여러 지점으로 비행하여, 바람의 상태를 확인하고 사료를 방출하는 상세한 계획도 세웠다. 하지만 이처럼 더 큰 규격으로 제작된 기계가 테스트되기 전까지, 이것들은 모두 제안에 불과하다. 현재의 연구는 회전형 급이 장치를 갖춘 드론이 기본적으로 작동할 수 있다는 것을 증명했지만, 이를 효율적이고 정확하며 상업적으로 실행 가능하게 만드는 힘든 과제는 다음 단계의 연구로 남겨두었다.

궁극적으로 이 작업은 개념 증명(proof of concept)이다. 이는 공중 새서 급이기의 기계적 핵심이 바람과 진동 속에서도 실제 세계에서 박동할 수 있음을 보여준다. 연구진은 음식을 이동시키는 작업과 급이기를 회전시키는 작업을 분리할 수 있으며, 이러한 분리가 비행 중인 기계 위에서도 작동한다는 것을 보여주었다. 비록 풍향에 대응하며 25kg을 운반하는 완전 자동화 시스템으로 가는 길은 여전히 멀고 많은 테스트를 필요로 하지만, 이 연구는 기계가 의도한 대로 기능할 수 있다는 첫 번째 구체적인 증거를 제공한다. 이는 이론적인 아이디어를 실제로 작동하는 기계로 전환함으로써, 이 비행 급이기를 새우 농부들의 표준적인 도구로 만들기 위한 미래 실험의 토대를 마련했다.