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곤충로봇 이용해 나방 날갯짓의 비밀 풀었다

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2016년 11월 10일 20:37 프린트하기

수조에서 곤충을 모방한 로봇이 날갯짓으로 소용돌이를 일으키며 전진하고 있다. 작은 사진은 날갯짓 로봇을 확대한 모습. 장조원 한국항공대 교수팀은 이 같은 곤충의 소용돌이가 양력을 2배가량 높여 준다는 사실을 처음으로 밝혔다. - 한국항공대 제공
수조에서 곤충을 모방한 로봇이 날갯짓으로 소용돌이를 일으키며 전진하고 있다. 작은 사진은 날갯짓 로봇을 확대한 모습. 장조원 한국항공대 교수팀은 이 같은 곤충의 소용돌이가 양력을 2배가량 높여 준다는 사실을 처음으로 밝혔다. - 한국항공대 제공

곤충은 빠른 날갯짓으로 주위에 소용돌이를 만들면서 안정적으로 비행한다. 국내 연구진이 이런 곤충의 소용돌이를 응용해 항공기의 비행 성능을 높일 수 있는 원리를 찾아냈다.

 

장조원 한국항공대 교수팀은 ‘박각시 나방’이 날갯짓으로 소용돌이를 일으킬 때, 그렇지 않을 때보다 양력이 2배가량 높아진다는 사실을 알아냈다고 10일 밝혔다. 양력은 물체를 공중에 뜨게 만들어 주는 힘이다.

 

곤충의 날갯짓으로 생기는 소용돌이에 대한 연구는 이전에도 있었지만, 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 소용돌이 과정을 규명하는 것이 대부분이었다. 곤충의 크기가 작고 날갯짓도 빨라 실제 실험에는 한계가 있었기 때문이다.

 

장 교수팀은 로봇을 이용해 이 문제를 풀었다. 제자리 비행에 능숙한 ‘박각시 나방’을 5배 크기 로봇으로 제작한 뒤, 공기가 아닌 물속에서 날갯짓을 관찰했다. 물속에서는 로봇의 날갯짓이 실제 곤충의 속도보다 250배 느리게 움직이면서도 10배 강한 힘을 내기 때문에 물체의 운동 특성을 쉽게 분석할 수 있다. 연구진은 속도에 따른 힘의 변화를 측정하고, 날개 주위에 발생하는 소용돌이의 변화를 분석했다.

 

그 결과 날개를 파닥이면서 그 위로 소용돌이가 발생할 때 로봇에 가해지는 양력이 2배 가까이 높아지는 것으로 확인됐다. 또 이 소용돌이가 안정적으로 생겨날수록 로봇의 최대 비행속도도 높아진다는 것을 알아냈다. 장 교수는 “곤충의 비행속도는 보통 날갯짓 속도의 약 25%인데, 그 이유를 이번에 처음 밝혀낸 것”이라고 설명했다.

 

연구진은 곤충 날개의 가로세로 비율이 소용돌이에 미치는 영향 역시 추가로 분석했다. 날개 면적이 넓으면 날개 끝에서, 날개 면적이 좁은 경우에는 가슴에 붙어 있는 날개 뿌리에서 복잡한 구조의 소용돌이가 발생했다. 오랜 기간에 걸쳐 진화한 곤충은 날개의 가로와 세로 비율이 3:1 정도로 비슷한데, 실제로 이 같은 형상의 날개에서 안정된 소용돌이와 큰 양력이 만들어졌다.

 

장 교수는 “곤충이 비행에 유리한 방향으로 진화했다는 증거를 발견한 셈”이라며 “이번 연구 결과는 드론(무인기)이나 고효율의 프로펠러, 터빈 등 다양한 공학 기기를 개발하는 데 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.

 

이 연구 결과는 국제학술지 ‘유체역학저널’ 3일자 온라인판에 게재됐다.

 

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