카메라나 적외선 센서를 갖춘 무인 항공기는 농부, 경찰, 극한 스포츠(extreme sports: 스카이 다이빙이나 번지 점프같이 위험성이 동반하는 스포츠)의 열렬한 지지자 등에게 이미 많은 지지를 받고 있다. 이제 공학자들은 단지 관찰하는 것 이상을 수행할 수 있는 소형 무인 항공기를 시험하고 있다.
생태학자, 석유 산업 종사자 등이 기름 유출이나 외래 유입종(invasive species)을 추적하는 것을 돕기 위하여 물 시료를 퍼 올리도록 급강하할 수 있는 시작품 무인 항공기가 개발되고 있다. 일부 무인 항공기는 심지어 자신이 수집한 물 시료에 대하여 기초적인 분석을 수행할 수 있다.
미국 노스캐롤라이나(North Carolina)의 롤리(Raleigh)에 본사를 둔 상업용 무인 항공기 기업인 프리시전호크(PrecisionHawk)는 석유 산업 분야의 일부 고객들과 함께 물 시료 채취용 무인 항공기를 시험하고 있다. 이 무인 항공기는 수상 비행기의 형태를 가지고 있으며, 심지어 벌레, 진흙, 조류(algae: 물속에 사는 하등 식물의 한 무리) 등이 울창한 점성이 있는 늪 물(swampwater)도 다룰 수 있는 부교(pontoon) 상에 설치된 펌프를 가진다. 물은 용기에 빨려 들어가서 기름 누출이나 유출의 흔적을 점검하기 위하여 실험실로 옮겨진다.
"만약 당신이 캐나다 북부나 알래스카에 간다면, 문자 그대로 크기가 수천 에이커(acre: 약4,050평방미터에 해당하는 크기의 땅)가 되는 수천 개의 연못과 호수가 존재한다. 이러한 곳에서 물 시료를 채취하기 위하여 걸어 다니거나 보트를 이용하는 것은 거의 불가능한 작업"이라고 프리시전호크의 최고 경영자(CEO)인 어니스트 이어런(Ernest Earon)이 말했다.
연구팀은 이제 혼자 힘으로 물을 분석하기 위하여 분광계(spectrometer)를 휴대할 수 있는 무인 항공기의 가능성을 연구하고 있다. 이것은 연구실로 다시 복귀하는 수고를 덜어 에너지, 시간, 비용 등을 절약할 수 있다.
미국 캘리포니아 대 머세드 캠퍼스(University of California, Merced)의 공대 교수인 양콴 천(YangQuan Chen)은 디엔에이(DNA: deoxyribonucleic acid)의 추출 및 서열 확인을 위하여 실험실로 재빨리 가져가게 되는 시료를 수집하기 위하여 물 위에 착륙하는 부력 프레임을 갖춘 쿼드콥터(quadcopter: 프로펠러가 4개인 헬기) 무인 항공기를 시험하고 있다.
목표는 식물, 동물, 기타 유기적 조직체 등에 의하여 남겨진 환경 디엔에이(eDNA: environmental DNA)라고 불리는 것을 수집하는 것이다. 환경 디엔에이를 분석하면 질병, 멸종될 위기에 있는 종, 외래 유입종 등을 추적하는 방법을 제공한다. 이 기법은 예를 들어 미국의 5대호(Great Lakes) 주변의 외래 침입종인 아시아 잉어(Asian Carp)의 개체수를 추적하는 데에 사용되고 있다.
무인 항공기로 물 시료를 채취하는 것은 더 넓은 영역을 다룰 수 있어 환경 디엔에이 분석법을 더 강력하게 만들 수 있다고 양콴 천 교수가 전했다. "보트나 차량으로 도달할 수 없는 장소가 존재한다. 이렇게 도달할 수 없는 곳은 무인 항공기를 이용해야 한다"고 양콴 천 교수가 말했다.
가장 큰 난관은 무인 항공기가 움직이는 물 위나 궂은 날씨 조건에서 착륙할 수 있는 방법을 찾아내는 것이었다고 양콴 천이 말했다. 내장된 센서가 돌풍을 기록하고, 소프트웨어는 이에 대응하여 추력을 조절한다. 무인 항공기는 물을 퍼 올릴 수 있지만, 아직까지 수집된 물 시료에서 환경 디엔에이의 서열을 확인하지 못한다.
장기적으로 높은 처리율을 가지는 유전 서열 확인 장치의 소형화가 이루어지면 무인 항공기가 자신의 시료를 스스로 분석할 수 있을 것이라고 양콴 천 교수와 공동 연구를 수행하고 있는 미국 캘리포니아 대 데이비스 캠퍼스(University of California, Davis)의 유전학자인 마이크 밀러(Mike Miller)가 전했다. "아마도 머지 않아 캘리포니아 전역에 걸쳐 물을 채취하고, 비행 중에 모든 디엔에이(DNA)의 서열을 확인하고, 그 데이터를 중앙 통제소로 보내도록 배치되는 무인 항공기가 존재하게 될 것"이라고 마이크 밀러가 말했다.
미국 네브래스카 대 링컨 캠퍼스(University of Nebraska, Lincoln)에서 컴퓨터 과학 및 공학과의 조교수인 캐릭 뎃와이러(Carrick Detweiler)는 `공동 항공 생태학자(Co-Aerial Ecologist)`라고 불리는 유사한 무인 항공기를 연구하고 있다. 이것은 빨대처럼 내장되어 물을 흡수하는 1미터의 매달리는 관을 이용한다. 무인 항공기는 내장된 유리병에 저장된 물 시료를 이용하여 시료의 온도나 염도 측정의 대용물인 전도성(conductivity)을 측정할 수 있다.
캐릭 뎃와이러 조교수의 무인 항공기는 네브래스카 주의 인기 있는 휴양지에서 이미 독성이 있는 조류(algae)를 탐지하기 위하여 일련의 소형 인조 호수들에서 물 시료를 채취하였다. 이러한 작업은 인간 작업자들이 수행하는 경우 통상적으로 12~14시간이 소요되지만, 무인 항공기는 약 2시간 만에 수행하였다. 또한, 이 무인 항공기는 외래 유입종인 말 조개(zebra mussel)의 유충을 찾기 위하여 네브래스카 주의 수로를 탐색하는 데에 사용되고 있다.
조만간 더 많은 소형 무인 항공기가 나타날 것이라고 캐릭 뎃와이러 조교수는 예측한다. "지금부터 5~10년 후에 나타나는 차세대 무인 항공기는 물 시료 수집이나 낙엽 채취 등을 수행하면서 환경에 진실로 근접할 수 있을 것"이라고 캐릭 뎃와이러 조교수가 말했다.
캐릭 뎃와이러 조교수는 식물의 건강을 확인하거나 옥수수 농장에 들끓고 있는 잡초의 다양성을 정확하게 식별하기 위하여 기계적인 팔로 농작물의 잎을 딸 수 있는 무인 항공기를 연구하기 시작하였다.
양콴 천 교수는 이러한 무인 항공기가 누구라도 사용할 수 있을 정도로 저렴하게 될 수 있기를 희망한다. 프리시전호크의 수상 무인 항공기는 물 시료 채취 장치를 제외하고도 가격이 미화 16,500달러이다. 물 시료 채취 장치는 추가 선택 항목으로 올해(2015년) 하반기에 출시될 예정이다. 이것은 석유 회사에게는 저렴할 수 있지만, 다수의 환경 기관이나 과학자들에게 너무 비싸다.
양콴 천 교수는 자신의 설계가 단지 미화 1,000달러에 불과한 물 시료 채취용 무인 항공기를 실현할 수 있게 만들 것이라고 믿고 있다. 그는 생태학자, 심지어는 기자들도 일상적으로 연구실에서 물의 시료를 분석할 수 있게 되어 환경적으로 간과되었던 새로운 사실을 제공할 수 있기를 상상하고 있다. "우리는 무인 항공기가 비용적으로 감당할 수 있는 물건이 되도록 만들 필요가 있다"고 양콴 천 교수가 강조하였다.
[무인 항공기의 물 시료 채취 동영상]
https://www.youtube.com/watch?v=gQvBDzcp7Ds
Drones carrying cameras or infrared sensors have already found favor with farmers, police forces, and extreme sports enthusiasts. Now engineers are testing versions of the tiny craft that can do more than just observe.
Prototypes able to swoop down to scoop up water samples are being developed to help ecologists, the oil industry, and others track oil leaks or invasive species. Some can even perform rudimentary analysis on the water they collect.
Commercial drone company PrecisionHawk, of Raleigh, North Carolina, is testing a water sampling drone with some clients in the oil industry. It takes the form of a seaplane and has a pump mounted on its pontoons that can handle even viscous swampwater thick with bugs, mud, or algae. The water is sucked into a container and then carried to a lab to check for signs of oil leaks or spills. (See a short
video of the drone in action.)
“If you go up to Northern Canada or Alaska, there are literally thousands of ponds and lakes that are a few acres in size,” says PrecisionHawk CEO Ernest Earon. “Trying to walk through or take a boat to get water samples, it’s an almost impossible task.”
Earon says his team is now researching the possibility of a drone carrying a small spectrometer to analyze water for itself. That would save on energy-draining trips back to the lab.
YangQuan Chen, an engineering professor at the University of California, Merced, is testing a quadcopter drone with a buoyant frame that lands on water to collect a sample to be whisked to back to a lab for DNA extraction and sequencing.
The goal is to collect what is called environmental DNA, or eDNA, left behind by plants, animals, or other organisms. Analyzing eDNA provides a way to track diseases and endangered or invasive species. The technique is used to track populations of invasive Asian Carp around the Great Lakes, for example. Grabbing water samples by drone could make the approach more powerful by covering larger areas, says Chen. “There are some places that cannot be reached by boat or vehicle,” says Chen. “You simply cannot go there, so you have to use a drone.”
Chen says his biggest challenge has been to work out a way for the drone to land on moving water or during inclement weather. An onboard sensor registers wind gusts and software adjusts thrust in turn. The drone can scoop up water, but the researchers have not sequenced eDNA in the samples it collected.
In the long term, miniaturization of high-throughput genetic sequencing devices could allow drones to analyze their own samples, says geneticist Mike Miller of the University of California, Davis, who is collaborating with Chen. “Maybe in not that long, there’ll be drones deployed all over California, dipping down into water, sequencing all of the DNA on the fly and sending the data back to a central location,” Miller says.
Carrick Detweiler, an assistant professor of computer science and engineering at the University of Nebraska-Lincoln, is working on a similar drone he calls a “Co-Aerial Ecologist.” It uses a one-meter dangling tube to suck water onboard like a straw. With water stored in onboard vials, it can then measure the samples’ temperature or conductivity (a proxy for salinity).
At a popular recreation area in Nebraska, Detweiler’s drone has already sampled from a series of small manmade lakes for toxic algae. The task routinely takes a crew of humans 12 to 14 hours, but the drone can do it in about two. The drone has also been used to search Nebraska waterways for the larvae of the invasive zebra mussel.
Detweiler predicts that there will soon be many more hands-on drones appearing. “The next generation of vehicles five to 10 years from now will be capable of getting really close to the environment, like water-sampling or collecting leaf samples,” he says. Detweiler has begun work on a drone that plucks leaves from crops with a mechanical arm, to determine the health of plants, or identify the exact variety of a weed infesting a corn field.
Chen hopes that drones like these could become cheap enough for just about anybody to use. PrecisionHawk’s seaplane drone costs $16,500 even without water sampling gear, which is scheduled to be available as an optional extra later this year. That’s cheap for oil companies but too expensive for many environmental organizations or scientists.
Chen believes that his design could lead to a water sampling drone that costs only $1,000. He envisions ecologists and even journalists being able to routinely sample bodies of water for analysis at the lab, providing a new layer of environmental oversight. “We need to make it affordable,” he says.
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