항공대 장조원 교수팀 "곤충이 최적의 비행속도 택하는 원리 이용"

빠른 속도로 파닥거리는 곤충의 날갯짓에는 자연의 신비가 숨어있다.

날갯짓이 만들어내는 소용돌이가 갑자기 부는 바람에도 곤충이 안정성을 유지할 수 있도록 돕는다.

국내 연구진이 이 같은 곤충의 날갯짓을 모사한 로봇을 개발해 곤충이 비행 효율을 높이는 원리를 밝혀냈다.

한국연구재단은 한국항공대 장조원 교수 연구팀이 제자리 비행에 능숙한 '박각시 나방'을 닮은 5배 크기의 날갯짓 로봇 모델을 제작했다고 10일 밝혔다.

 

연구팀은 곤충 날개가 만들어내는 소용돌이가 비행 성능을 두 배 가까이 높인다는 사실도 밝혀냈다.
 
그동안 소용돌이가 유지되는 원인을 알아내기 위해 다양한 연구가 진행됐지만 곤충의 크기가 작고 날갯짓이 빨라 실험이 어려웠다.

연구팀은 실제 곤충 비행 환경과 동일하도록 주위를 공기보다 밀도가 높은 물로 채워 로봇 모델이 곤충 날갯짓에 비해 250배 느리게 움직이면서도 10배가량 증폭된 힘을 생성할 수 있도록 설계했다.

이어 로봇 모델의 전진 속도에 따라 달라지는 힘의 변화와 날개 주위에 발생하는 소용돌이의 변화를 관찰한 결과 소용돌이가 지속되는 정도가 곤충의 최대 비행속도를 결정하는 것으로 나타났다.

날갯짓이 빚어내는 소용돌이는 양력(공중에 뜨게 하는 힘)의 세기도 두 배 가까이 향상하는 것으로 나타났다.

연구팀은 이번 연구를 통해 곤충이 선호하는 비행속도가 날갯짓 속도의 25% 이하 수준에서 결정되는 이유를 처음으로 밝혀냈다.

날개 윗면에서 발생하는 소용돌이에 비해 앞으로 나가는 속도가 25% 이상으로 높아지면 안정적인 소용돌이 구조가 깨지기 때문에 곤충은 비행 성능을 유지하기 위해 가장 효과적인 '전진비'(advance ratio·소용돌이 대비 전진 속도)를 택하는 것으로 나타났다.

25% 이하 전진비에서 안정적인 소용돌이(왼쪽)와 25% 이상 전진비에서 깨지는 소용돌이(오른쪽)

연구팀은 이와 함께 곤충 날개의 가로세로 형상이 소용돌이에 미치는 영향을 분석했다.

진화된 곤충일수록 날개의 가로와 세로 비율이 3대 1에 가까웠으며 이 같은 날개 형상에서 안정된 소용돌이와 큰 공기력이 만들어지는 것이 관찰됐다.

또 날개 면적이 넓은 경우에는 날개 끝에서 날개 면적이 좁은 경우에는 가슴에 붙어 있는 날개 뿌리에서 소용돌이가 생성된다는 사실도 밝혀냈다.

장조원 교수는 "곤충 비행에서 최적의 비행속도 영역과 최적의 가로세로 날개 형상이 있다는 것을 처음으로 규명한 연구"라면서 "생체 모방형 차세대 드론과 차세대 무인기 날개 등에 활용할 수 있을 것"이라고 기대했다.

이번 연구는 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구)의 지원을 받았다. 연구 결과는 국제 학술지 '유체역학저널'(Journal of Fluid Mechanics) 지난 3일자 온라인판에 실렸다.

(대전=연합뉴스) 박주영 기자   [email protected]

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