드론이 나무 꼭대기에서 DNA를 수집하는 새로운 보전 접근법

건강한 생태계를 유지하려면 생물다양성이 필요합니다. 생물다양성은 인간을 포함한 지구상의 모든 생명을 지원합니다. 미생물, 식물, 동물의 다양성이 없으면 균형 잡힌 환경을 가질 수 없습니다.

생물다양성은 깨끗한 공기, 담수, 홍수 관리와 같은 생태계 서비스를 제공하며, 이는 인간 복지에 필수적입니다. 또한 식량 안보를 지원하고, 탄소 격리에 기여하며, 폐기물을 해독·분해하고, 생물의 회복력을 강화하며, 질병 조절에도 도움을 줍니다. 식물과 동물의 유전자는 의약품 및 약물 개발에도 활용됩니다.

따라서 생물다양성을 더 잘 이해해야 한다는 것은 명백합니다. 숲과 나무 꼭대기에서 생물다양성을 연구하는 강력한 도구는 환경 DNA(eDNA) 분석입니다. 그러나 고도와 복잡성이 높은 환경에서 eDNA 샘플을 수집하는 것은 쉽지 않습니다.

전통적으로는 나무 굴리기나 표면 면봉 채취와 같은 노동 집약적인 방법이 사용되었습니다. 위성 영상을 의존하거나 크레인을 이용해 지역을 조사하는 것은 충분한 범위를 확보하기 위해 많은 노력이 필요했을 뿐만 아니라 정밀도가 떨어졌습니다.

하지만 이제는 다릅니다. 드론은 근접 고해상도 이미지와 데이터 수집 능력을 제공함으로써 상황을 혁신적으로 바꾸고 있습니다.

새로운 연구에서는 무인 항공기(UAV)를 사용해 특히 접근이 어려운 원격 지역의 나무 꼭대기에서 생물다양성을 탐색하는 방안을 제안했습니다. 이는 드론이 안전하게 작업을 수행하여 열대 우림과 같은 접근이 어려운 지역에 사람을 보내지 않고도 나무 꼭대기에서 유전 물질을 수집하고, 생물다양성에 대한 깊은 이해를 돕는다는 의미입니다.

드론을 이용한 eDNA 수집

eDNA는 점액, 대변, 죽은 피부 세포와 같은 생물학적 물질에서 발견되며, 수십 년 동안 생물다양성을 조사하는 데 사용되어 왔습니다. 생물다양성을 기록하고 모니터링하는 데 활용되는 DNA 흔적은 연구자들이 특정 지역에 어떤 종이 존재하는지 판단하는 데 도움을 줍니다.

작년 초, ETH 취리히 연구소의 과학자들이 이 기술을 사용하여 어떤 종이 숲의 캐노피를 서식지로 이용하는지 밝혀냈습니다.

나무 가지에서 스스로 샘플을 수집할 수 있는 특수 드론을 제작하기 위해 ETH 취리히와 스위스 연방 연구소 WSL의 연구원들은 SPYGEN 회사와 협력했습니다.

항공기 하부에 접착 스트립을 부착했습니다. UAV를 가지에 부드럽게 착륙시킨 뒤, 가지에서 접착제에 일반 물질이 옮겨지면 이를 분석했습니다.

하지만 나무는 두께와 탄성에 차이가 있습니다. 항공기가 나무에 접근해 안정적으로 샘플을 채취하도록 하는 것이 연구자들에게 큰 도전이었습니다.

“가지에 착륙하려면 복잡한 제어가 필요합니다.”

– 스테파노 민체프, 당시 ETH 취리히 및 WSL의 환경 로봇학 교수

이에 팀은 드론에 힘 감지 케이지를 장착하여 항공기가 나뭇가지의 유연성을 측정하고 이를 기반으로 움직일 수 있게 했습니다. 이 장치를 일곱 종류의 나무에 시험한 결과, 샘플에는 새, 곤충, 포유류 등 21개의 서로 다른 유기체 그룹의 DNA가 포함된 것으로 확인되었습니다.

이 방법은 생물학자를 나무 꼭대기로 보내는 것보다 더 쉽고 빠르며 안전한 대안이지만, 완전히 위험이 없는 것은 아닙니다.

드론을 사용할 경우, 의도치 않은 강한 충돌로 인해 나무뿐 아니라 드론 자체가 손상될 위험이 있습니다. 또한 드론이 착륙한 가지에서만 샘플을 수집할 수 있다는 제한도 있습니다. 따라서 결과가 “고무적”이었지만, 드론은 개선이 필요했습니다.

생물다양성 연구를 위한 개선된 시스템

현재 ETH 취리히의 과학자들은 새로운 맞춤형 로봇 시스템을 개발했습니다. 이 새로운 UAV 접근법은 나무 캐노피 내에서 eDNA를 수집하기 위해 표면 면봉 채취 기술을 사용합니다.

ETH 취리히의 로봇공학 박사과정 학생인 스테펜 키르히게오르크가 이끌어, 연구팀은 평평한 패브릭 프로브를 이용한 샘플링 시스템을 개발했습니다. 플리스 천 조각을 원형으로 자르고, 커피 필터와 유사한 형태로 만든 뒤, 유리섬유 스트립을 부착해 구조를 제공했습니다.

프로브는 쿼드콥터 하부에 장착된 리프팅 기어에서 끈으로 내려가며, 이로 인해 드론은 식생에 닿지 않게 됩니다.

드론에는 프로브의 끈이 가지에 엉키는 것을 방지하는 센서도 장착되었습니다. 연구원들은 충돌을 감지하면 시스템이 자동으로 위치를 이동하도록 프로그래밍했습니다.

작동 방식은 UAV가 나무 꼭대기 위에 안전하게 호버링하고, 프로브를 식생을 통과시켜 잎과 가지에 닿게 한 뒤, eDNA를 수집합니다. 이후 프로브를 제거하면 그 내용물을 분석할 수 있습니다.

이 실험은 동남아시아의 열대우림에서 수행되었으며, 키르히게오르크와 동료들이 탑재된 카메라의 실시간 영상을 통해 원격으로 드론을 조종했습니다. 드론은 시야 밖으로 날아가 숲 캐노피에서 10개의 샘플을 수집했습니다.

새로운 접근법의 효율성은 XPRIZE Rainforest 준결승전에서 입증되었으며, 팀은 이 샘플에서 152종의 eDNA를 발견했으며, 대부분은 거미와 곤충에 속했습니다.

팀은 장꼬리 마카크 원숭이의 eDNA와 함께 흰개미, 여러 종류의 개미, 그리고 파리의 일종인 갈미드까지도 발견했습니다.

“사람들이 자연을 보호하도록 하려면 우리가 실제로 보호하고 있는 것이 무엇인지 알려야 합니다 — 우리의 솔루션을 통해 캐노피 속 생명을 더 잘 이해하기를 바랍니다.”

– 책임 저자 키르히게오르크

팀에 따르면, 원격 서식지에서 생물다양성을 연구하는 이 대안은 보전 및 복원 사업에 필수적입니다. 다음 단계에서는 침투 깊이, 프로브와 식생의 상호작용, 샘플링 기간이 샘플의 DNA 농도에 어떤 영향을 미치는지 조사할 예정입니다.

드론의 혁신

드론은 무인 항공기(UAV)라고도 불리며, 조종사가 탑승하지 않고 운용됩니다. 지난 10년 동안 크게 성장했으며, 많은 산업 분야에서 빠르게 핵심 요소가 되고 있습니다.

이 수요에 힘입어 드론 기술 시장은 2023년 339억 달러에서 $61.2 bln in 2029로 성장할 것으로 예상됩니다.

이러한 비행 로봇은 크기가 다양하며, 카메라, 센서, GPS 시스템, 통신 링크를 활용해 원격 제어나 사전 프로그래밍된 알고리즘으로 제어됩니다.

실시간 이미지·영상 촬영, 감시, 매핑, 배송 서비스 등 다양한 기능을 통해 기업에 비용 효율적인 솔루션을 제공합니다. AI와 같은 최신 기술의 활용은 드론의 기능을 더욱 강화하여, 정보에 기반한 신속한 의사결정, 고급 데이터 분석, 자율 운영을 가능하게 합니다.

이러한 모든 능력 덕분에 드론은 연구자들이 야생동물을 방해하지 않고도 종의 행동, 이동 패턴, 생태계 변화를 관찰하는 데 특히 유용합니다.

또한 이러한 비행 로봇이 울창한 숲을 쉽게 탐색하고 접근이 어려운 나무 꼭대기에 도달할 수 있기 때문에, 과학자들은 처음으로 식물 종에 대한 데이터를 수집할 수 있습니다. 장기간 배치함으로써 수년간 변화를 모니터링하여 기후 변화나 삼림 벌채의 영향을 연구·예측하는 데 도움이 되는 장기 데이터를 확보할 수 있습니다.

하지만 이는 드론 활용 사례 중 하나에 불과합니다. 농업 분야에서는 이러한 UAV가 작물 건강을 모니터링하고, 해충을 감지하며, 관개를 관리하고, 수확량을 최적화하는 등 혁신적인 적용이 이루어지고 있습니다.

정밀 농업 기술로 농업을 혁신하는 것 외에도, 드론은 재난 위험 지역에서 수색·구조 임무, 필수 물자 전달, 피해 평가 등에 활용될 수 있습니다. 산불, 허리케인, 지진과 같은 비상 상황에서 드론은 위험 지역을 신속히 탐색하면서 인명을 위험에 빠뜨리지 않아 필수적인 역할을 합니다.

드론이 점점 더 많이 활용되는 다른 산업으로는 물류 배송, 교량·파이프라인 등 접근이 어려운 인프라 점검, 건설 현장·광산의 정밀 3D 모델 생성 등이 있습니다.

이 모든 사례는 드론이 취미나 군사 분야에서만 사용되던 신기술에서 벗어나, 의료, 건설, 환경 모니터링부터 피자·의료품 배송, 공급망, 항공기 정비 등에 이르기까지 다양한 분야에 스며들고 있음을 보여줍니다.

드론 사용과 인기가 증가하는 배경에는 기술 발전이 있습니다. 예를 들어 AI와 머신러닝 알고리즘이 임베디드 시스템에 점점 더 통합되어 기계가 보다 효율적이고 똑똑해지고 있습니다.

반도체 기술 혁신으로 저전력·고성능 마이크로컨트롤러와 프로세서도 등장했습니다. 이러한 진보는 더 많은 연산 능력을 제공하면서 에너지 소비는 줄여 드론의 효율성과 내구성을 향상시킵니다.

드론 적용 범위를 확대하는 데 기여한 다른 중요한 진보는 5G·IoT와 같은 무선 통신 기술로, 보다 빠르고 신뢰성 높은 데이터 전송을 가능하게 하며, 실시간 운영체제(RTOS)는 정밀한 타이밍과 작업 관리를 지원합니다.

이 모든 기술적 진보는 드론의 성능과 기능을 크게 향상시켜, 보다 넓은 분야에서의 활용을 촉진하고 있습니다.

드론 솔루션을 개발하는 기업들

이제 드론 기술 개발을 선도하는 기업들을 살펴보겠습니다.

DJI는 드론 산업을 주도하는 기업으로, 농업, 측량, 인프라 점검 등에 활용되는 다양한 소비자·전문·산업용 드론 솔루션을 제공합니다.

Boeing (BA ) 은 방위 및 상업용 고내구성 드론을 개발하는 또 다른 기업이며, Northrop Grumman (NOC ) 은 RQ-4 Global Hawk와 같은 UAV 개발에 참여하고 있습니다. Lockheed Martin (LMT ) 은 드론 기술에 관여하는 또 다른 방위 대기업이며, Kratos Defense & Security Solutions (KTOS ) 은 상업 부문으로 사업을 확대하고 있습니다.

If we look at the agricultural industry, Draganfly (DPRO ) 의 드론 기술은 AI 기반 분석, 매핑, 긴급 대응 시스템에 중점을 두고 있습니다. AgEagle Aerial Systems (UAVS ) 은 환경 모니터링을 위한 드론 기반 솔루션을 만들고 있으며, Parrot는 정밀 농업, 3D 매핑, 생물다양성 연구에 사용되는 주요 유럽 드론 제조업체입니다.

몇몇 주요 기업을 더 자세히 살펴보겠습니다:

#1. AeroVironment, Inc.

AeroVironment은 군사 및 상업용 UAV, 환경 모니터링 및 농업을 포함한 드론 기술의 선두 기업입니다.

작성 시점에 주가가 $209였으며, AeroVironment (AVAV ) 주가는 올해 65% 상승해 시가총액이 58억 6500만 달러에 이릅니다. 12개월(TTM) EPS는 2.12, P/E(TTM)는 98.08, ROE(TTM)는 8.30%입니다.

2024년 2분기에 회사는 매출 1억 8,950만 달러를 보고했으며, 전년 대비 24.4% 증가했습니다. 비GAAP 주당 순이익은 0.89달러로 전년 동기 1달러보다 감소했습니다. 분기 말 자유 현금 흐름은 2,292만 달러였습니다.

“사상 최고 1분기 매출”은 이 드론 제조업체가 향후 3~5년 내에 수십억 달러 규모의 기업으로 성장하려는 목표와 맞물린 것으로, 2024 회계연도 매출 7억 1,700만 달러에서 증가한 것입니다.

이러한 목표의 핵심인 제품 Switchblade는 러시아와 우크라이나 모두가 사용하는 체공 폭탄입니다. AeroVironment는 최신 개조를 통해 전파 방해를 극복하고 있으며, 더 나은 훈련과 함께 Switchblade의 효율성 80% 이상을 높이고 있습니다.

최근 미국 육군은 2029년까지 Switchblade 구매를 포함해 최대 9억 9천만 달러 규모의 사상 최대 계약을 이 회사에 체결했습니다. 5월에도 펜타곤은 AeroVironment에 Replicator 프로젝트용 Switchblade 제작 계약을 부여했습니다. 이뿐만 아니라 영국, 리투아니아, 프랑스도 Switchblade를 구매했으며, AeroVironment에 따르면 20개국 이상이 이 항공기를 구매하려 하고 있습니다.

#2. Trimble Inc.

Trimble은 데이터 수집, 토지 관리, 3D 매핑을 지원하는 지리공간 및 농업용 드론 솔루션을 제공합니다. 이들의 기술은 정밀 농업 및 건설 모니터링에 핵심적인 역할을 합니다. 솔루션에는 정보 교환과 효율적인 워크플로에 중점을 둔 Trimble Geospatial, 농업에 적합한 정밀 농업 제품 조합을 찾도록 돕는 FAST 앱을 제공하는 Trimble Agriculture, 360도 이미지와 포인트 클라우드를 제공하는 Trimble Reality Capture가 포함됩니다.

작성 시점에 주가 $62.14이며, Trimble 주가는 올해 16.82% 상승해 시가총액이 151억 7,500만 달러에 이릅니다. 12개월(TTM) EPS는 6.13, P/E(TTM)는 10.14, ROE(TTM)는 30.34%입니다.

2024년 2분기에 회사는 연간 반복 매출(ARR) 21억 달러를 보고했으며, 이는 14% 증가한 수치입니다. 총 마진은 66.5%였고 EBITDA 마진은 24.6%로 확대되었습니다. Trimble 매출의 75%는 소프트웨어 서비스에서 나왔으며, AI 솔루션, 산업 규모, 초기 수익화 단계에 중점을 두고 있습니다. 또한 주식 재매입 재개 계획을 공유했습니다. 한편, 중국 및 일본 시장에서 어려움을 겪고 있으며 자동차 시장에서 매출 인식이 느리게 진행되고 있습니다.

이번 달에 Trimble은 Caterpillar Inc. (CAT ) 와의 장기 합작 투자를 확대해 등급 제어 솔루션을 배포했습니다. 올해 2월에는 Trimble과 DroneDeploy가 드론 기반 현실 캡처를 위한 최고 수준의 위치 정확성을 도입했으며, 이를 통해 운영자는 “고정밀 지도를 보다 빠르고 일관되게 제공”할 수 있게 되고, “드론을 정밀 지리공간 응용 분야에 활용”할 수 있게 됩니다.

결론

인간이 실질적으로 접근하기 어려운 지역에서 eDNA를 수집하기 위해 드론을 활용하는 것은 UAV의 또 다른 흥미로운 적용 사례이며, 환경 보전 노력에 있어 중요한 도약을 의미합니다. 또한 위험한 장소에 인간이 직접 접근할 필요 없이 상세한 생물다양성 데이터를 제공함으로써, 드론은 생태계 모니터링을 더 빠르고 안전하며 포괄적으로 수행할 수 있게 합니다.

이미 기술 혁신을 통해 드론은 물류, 농업, 방위, 환경 모니터링 등 다양한 산업 분야로 활용 범위가 확대되었습니다. 이제 드론은 기후 변화 영향을 해결하고 인간, 환경, 경제에 필수적인 지구 생물다양성을 보호하기 위한 노력을 안내하는 생물다양성 연구를 재구성할 준비가 되었습니다.

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