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곤충을 닮은 비행체가 뜬다 날갯짓 이용한 고난도 비행원리 밝혀… 미세비행체 실전 배치 머지않아
이런 일은 공상과학영화 밖에서도 일어날 수 있다. 미국 국방성 방위연구소(DARPA)의 3500만달러짜리 미세비행체(Micro Air Vehicles: MAV) 프로젝트가 성공리에 끝나면 MAV는 전투현장에 실전 배치될 전망이다. 이미 미군은 MAV 유형의 무인정찰기를 걸프전과 보스니아 내전에서 사용하기도 했다. 당시 투입된 무인정찰기는 무게가 4.5kg, 길이 1.2m로 MAV의 시험기 정도에 지나지 않았다. 비행체의 크기를 줄인다고 MAV 구실을 하는 건 아니다. 새나 곤충의 비행특성을 살펴 양력이나 추진의 원리를 제대로 적용해야 성공적인 MAV 구실을 할 수 있다. MAV는 미세전자기계시스템(MEMS)의 기술 지원을 받아 손가락 크기로 줄어들 것으로 보인다. 소형인 까닭에 연구자들은 새보다는 곤충의 비행을 모방하는 방식에 기대를 걸고 있다.
왜소한 날개로 몸체 띄우는 비결
곤충이 왜소한 날개에 의지해 육중한 몸집을 공기중에 띄우는 비결은 무엇일까. 영국 케임브리지대학의 동물학자 찰스 엘링턴 연구팀이 이런 의문에 관한 실마리를 풀었다. 현재 DARPA의 MAV 프로젝트에 참여하고 있는 엘링턴은 비행중인 곤충이 날개 전방 테두리 위의 공기에 나선형의 소용돌이를 발생시켜 양력을 얻는다는 ‘공기기둥 형성설’을 제시했다. 소용돌이가 날개 위쪽에 저압지역을 만들고 날개 밑에 형성된 고압 영역이 날개를 밀어올려 양력을 만든다는 것이다. 보통 항공기는 주로 날개 위에 형성되는 와류(渦流)효과로 날개 위쪽의 공기 속도가 아래쪽보다 더 빨라 날개 윗부분의 기압이 낮아져 날게 되는 것도 반대의 비행원리인 셈이다. 이런 곤충의 양력 발생 메커니즘은 어떻게 공기중에서 스스로를 조절하는지 설명하지는 못한다.
신비로운 날개운동으로 수억년 동안 진화해온 곤충. 공중에서 방향을 선회하고 놀라울 정도의 곡예비행을 수행하는 것도 독특한 날개운동을 통해 이뤄지는 일이다. 하지만 이를 밝혀내는 것은 간단한 일이 아니다. 무엇보다 조그만 날개들의 역학적인 본질이 비행기처럼 날개 주변의 일정한 공기흐름과 고정된 날개를 통해 접근할 수 없다는 게 걸림돌이다. 만일 새의 날개를 비행기의 날개로 취급하고서 어떤 특정시간에서 그 속도와 상승력을 계산해 전체 날갯짓에 합산한다면, 그 새가 어떻게 공중에 머물러 있을 수 있는지를 대략 설명할 수 있다. 하지만 조류에게 적용되는 고정익 항공기의 공기역학이 곤충에게는 통하지 않는다. 이런 곤충의 독특한 비행역학의 원리를 파악하기 위해 미국 캘리포니아대학의 생물학자 마이클 디킨슨 연구팀은 노랑초파리를 모델로 ‘로보플라이’(robofly)라는 25cm 길이의 로봇식 날개 한쌍을 제작했다. 이들은 비늘이 있는 날개들처럼 공기중에서 빠르게 퍼득거리는 효과를 내도록 로보플라이를 점성이 강한 미네랄 오일 탱크에 넣어두었다. 그런 다음에 각 부위에 센서를 부착한 로보플라이에 힘을 가하면서 날갯짓의 작용 메커니즘을 파악했다. 이런 과정을 거쳐 디킨슨팀은 곤충이 중력을 이겨내고 공중에 떠 있도록 하는 3가지의 흥미로운 기술을 밝혀냈다.
신체의 상호작용 등 아직 수수께끼로
그들만의 양력 발생 메커니즘을 가지고 있는 곤충은 5mm 안팎의 크기로 날아오르기 위해 고난도의 비행술을 진화시켜왔다. 만일 곤충의 비행 기작을 MAV 제작에 그대로 적용할 수 있다면 놀라운 성능을 기대할 수 있을 것이다. 하지만 그것은 아직까지 머릿속에서나 가능한 일이다. 곤충이 날갯짓 순간을 어떻게 잡는가에 따라 비행의 형태는 복잡한 양상으로 펼쳐진다. 그런 순간 포착은 기술적인 차원에 머물지 않고 뇌와 신경계, 근육 그리고 골격의 상호작용을 통해 이뤄지게 마련이다. 앞으로 곤충의 신체 상호작용을 둘러싼 비밀이 풀린다면 곤충을 닮은 MAV가 전장을 누비는 것도 어려운 일이 아니다.
김수병 기자 soob@hani.co.kr
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