[펌]  벌새 날개짓을 모방한 왕복 진동형 추진기구 연구
(A Study on Mimetic Device of Hummingbird's Wing)      이강길

 

최근 선진국에서는 생체시스템의 다양한 기능들을 인위적으로 모방 응용하여 이를 공업적으로 이용하고자 하는 "생체모방기술 (Biomimetic Technology)" 이라는 미래 첨단생명공학분야 기술개발을 위해 막대한 연구 개발비를 투자하고 있다. 현재 생체모방기술을 공업적으로 이용하기 위하여 활발히 연구되고 있는 주요 분야로는 "Biochip", "분자인식을 이용한 혁신적 생물분리기술", "초고감도 바이오센서" 등이 있다. 이 중에서 "Biochip" 분야의 경우 유전자 칩 또는 DNA 칩이 미국 Affymetrix사에서 상용화됨으로써 생체모방기술을 공업적으로 이용할 수 있는 무한한 가능성을 제시해주었다. 그러나 DNA 칩기술의 경우 원천기반기술이 모두 Affymetrix사에 의해 특허화 되어 있어 향후 약 2015년까지 후발업체가 DNA칩을 상용화하는 것은 거의 불가능한 실정이다. 그러나 생체모방기술분야 중에서 잠재력이 무한하면서 선진국에서도 기술개발단계에 있는 틈새(niche)분야에 집중적인 기술개발 투자를 할 경우 선진국을 앞서는 독창적인 원천기술 확보가 가능할 것이다.

인간이 생체를 모방한 내용은 오래된 신화에도 등장한다. 그리스신화에 등장하는 다이달로스는 새의 날개를 모방해 깃털과 밀랍으로 날개를 만들어 아들에게 붙여줬는데, 날개를 얻은 그의 아들은 아버지의 주의를 잊고 하늘 높이 날다가, 결국 태양에 가까워지면서 날개를 붙인 밀납이 녹아, 에게해에 빠져 죽었다는 신화이다. 신화뿐만 아니라 15세기 이탈리아의 천재적인 미술가 레오나르도 다 빈치는 과학적인 측면에서 하늘을 나는 새를 관찰하고 설계한 비행기 도면을 남겼는데, 다빈치의 설계 도면은 비행기와 헬리콥터의 이론적 기반을 제공했다고 한다. 라이트 형제는 대머리수리가 나는 것을 보고 비행기를 만들었다. 이처럼 오랜 옛날부터 인간은 하늘을 나는 새에 대한 모방에 관심은 컸으나, 생체모방공학이라 부를 수 있을 만큼 정교한 작업이 가능해진 것은 아주 최근의 일이다.

새의 날개형상

잠자리의 날개형상

미국 몬태나 대학의 다이얼 교수 연구팀은 까치의 날아가는 운동을 윈드 터널(Wind Tunnel)속에서 연구하였다. 터널 속에서 까치가 날도록 하고 바람의 속도를 조절하여 까치가 날아가는 속도를 측정하였으며, 까치의 날개 근육을 관찰하여 까치가 소모하는 에너지를 측정하였다. 정지 상태에서 한번의 날갯짓마다 소모된 에너지는 다른 속도에 비하여 2배가 넘었으나, 정지 상태를 제외한 다른 속도에서 에너지 소모량은 거의 비슷하였다. 새의 날아가는 운동을 유체 역학적으로 고찰한다면 소모되는 에너지는 정지상태로 날고 있을 때가 가장 많고, 속도가 증가하면 에너지도 감소하다가 어떤 속도 값에서 에너지 소모량이 가장 적고 속도가 계속 증가하면 에너지 소모량도 점차 다시 증가해야 한다는 것이다. 다시 말해 에너지를 최소로 소모하면서 가장 먼 거리를 날아갈 수 있는 가장 효율적인 속도가 있다는 것이다. 까치의 경우 정지 상태로 날고 있을 때에는 엄청난 에너지를 소모하게 되고, 대부분의 새들이 정지 상태에는 많은 에너지를 소모한다. 비행기가 앞으로 추진하기 때문에 하늘에 떠 있는 것이고, 비행기가 앞으로 나가지 않으면 떠 있을 수 없다. 한 자리에 가만히 있으면 떠 있기가 무척 어려운 것이다.

벌새의 정지비행

벌새의 크기

그러나 벌새는 특수한 어깨와 날개 형태로 한자리에 있어도 쉽게 떠 있을 수 있다. 벌새는 몸무게 3g, 몸길이 8.5cm 정도로 조류 중에서 가장 작은 새다. 날개를 빠른 속도로 움직여서(60-80회/초) 경쾌하게 공중 비행을 하는 것이 특징이다. 다른 새들과는 달리 공중에서 정지, 전후좌우 비행이 자유롭다.

기존의 회전형 추진기구

풀잠자리 날개짓의 연속사진

이러한 비행이 가능한 메카니즘은 벌새의 독특한 날개 형상과 날개짓으로 양력과 추진력을 적절히 제어하여 비행하는 것으로 알려져 있다. 스탠포드 대학의 크루교수 연구팀에서 수 cm의 메조스케일의 추진방식으로써 헬리콥터형의 로터형 날개를 가지는 비행체에 대한 연구를 수행하고 있다. 이러한 비행체는 화학적 생물학적 오염지역의 감시와 큰 비행체나 육상로봇이 접근하기 힘든 지형이나 건물 내의 탐지도 가능하므로, 건물 화재시 생존자 수색에도 사용될 수 있다.

현재 항공기술은 큰 새의 경우와 같은 크기의 비행기구에는 잘 적용되어 왔으나, 벌새나 곤충크기에 대한 비행체에 적용하기에는 많은 문제점을 안고 있다. 수 cm의 소형 비행체의 추진기구의 방식으로서 비슷한 크기의 벌새의 비행메커니즘 연구를 통한 새로운 추진기구의 개발이 필요하다. 본 기술개발을 통해 생체의 특성을 이용한 새로운 기계시스템의 개발로 인한 기술파급효과 및 활용도에 있어 잠재력은 엄청나게 크다.생체모방기술은 최적제어와 적응제어 같은 기존의 전통적인 제어 혹은 기계 기술들이 실제로 당면하는 어려운 문제들의 해결에 한계를 보이면서 이론적으로 규명은 어렵지만 매우 잘 동작하는 생체 기능을 모방함으로써 기존 기술의 문제점을 해결하고 개선하기 위한 노력이 전 세계적으로 진행되고 있다. 예를 들어, 개구리 혹은 파리 등과 같은 곤충의 눈은 사람의 눈과 비교하여 성능이나 기능 면에서 뒤떨어지지만 먹이를 잡기 위해 움직이는 목표물을 감지하거나 자기를 잡아먹기 위해 은밀하게 접근하는 침입자를 감지하는데는 사람보다 훨씬 앞선 성능을 보인다. 또한, 꿀을 모으기 위해 집으로부터 상당히 먼 거리까지 여행하는 꿀벌의 경우 특별한 센서를 가지고 있지 않지만 출발한 집으로 정확히 돌아올 수 있는 능력을 가지고 있다. 이는 자신이 위치와 돌아올 집의 위치를 결정할 수 있는 능력을 가지고 있음을 의미한다. 다양한 센서와 접근방식을 통해 자기위치 결정(Localization)과 자율주행(Navigation) 기능을 이동 로봇 혹은 자율주행 자동차에 탑재하기 위한 노력이 세계적으로 진행되고 있지만 아직 그럴듯한 결과물이 없는 것을 생각하면 꿀벌의 집으로의 회귀능력은 놀라운 능력이다. 이를 기초로 볼 때, 곤충, 동물 혹은 사람의 신체 혹은 감지기능을 일부 모방하여 기존의 기술을 능가하는 새로운 기술을 개발하기 위한 노력은 미래사회를 위한 기초기술 개발은 물론 응용기술의 개발 측면에서 큰 의미를 갖는다.

앞서 언급한 바와 같이 벌새는 가장 작은 새이나 초당 50-70회의 매우 빠른 속도로 날개짓을 하며 날다가 후진, 전진, 수직 상승 및 강하가 가능하다. 특히 벌새는 시속 50-100km로 날다가도 갑자기 정지할 수도 있는데, 그 비밀은 튼튼하게 흉골에 붙어 있는 근육으로 무게가 전체 몸무게의 25-30%나 된다. 벌새의 날개는 어깨부터 날개 끝까지 뻗뻗하여 위아래로 날개짓 할때 모두 힘을 받는다. 지구력도 좋아서 멕시코-알래스카(3000km)이상을 이주할 수 있다. 꽃에서 꽃으로 날아다니는데 벌과 같은 날개의 진동음이 나오므로 벌새라고 한다. 날개짓의 속도에 따라 소리가 다르며 이런 왕성한 활동 때문에 하루에 7,000칼로리를 소비한다. 붉은가슴 벌새의 경우 초당 평균 78번의 날개짓을 한다. 따라서 본 연구에서는 벌새의 비행능력과 이를 가능하게 하는 골격과 근육 구조를 규명하고 이를 활용하여 새로운 개념의 비행 기구 구조와 콘트롤 메카니즘을 개발 하고자 한다.

본 연구소에서는 벌새의 움직임처럼 날개의 왕복 진동형 운동(flapping motion) 해석에 관한 연구는 아직 수행된 적은 없지만 fixed wing, rotational blade에 대한 유동장 해석 등에 관한 연구는 KIST에서 많이 수행되었다. 팬 및 압축기 설계 및 성능예측, 날개 주위의 유동장 연구, 터빈 cascade flow 연구, unsteady flow의 측정, 유동의 stability 연구 등이 열.유동제어 연구팀을 중심으로 많이 수행 되어왔다. 또한 CAD/CAM 연구팀에서는 운동 mechanism 규명, kinematic simulation/해석/평가 등에 관한 연구 경험이 많이 있다.

KIST-2000 연구사업 “휴먼로봇시스템 개발(1994. 1. - 1998. 12.)” 중 “인간형 머리-눈 시스템 개발” - 사람의 목과 눈 운동을 모방한 머리-눈 시스템으로 사람과 같이 각 눈동자를 좌우로 운동시킬 수 있고 두 눈을 동시에 상하로 운동시킬 수 있다. 또한, 사람의 목을 모방하여 좌우운동과 전후운동이 가능하다. 따라서, 특정 목표물을 응시할 수 있을 뿐 아니라 실시간으로 추적할 수 있다. 특히, 사람의 눈과 같이 움직임 혹은 특정 컬러를 감지할 수 있는 시각 기능을 탑재하고 있어 사람과 같이 자연스런 환경에서도 사용할 수 있다.

국가지정연구실 사업 “생체의 감각 및 제어기능을 모방한 지능형 에이전트시스템 기술 개발(1999. 9. - 2004. 8.)” - 인체의 피부센서, 시각센서 및 자율제어 기능을 모방한 제어 및 감각 기능을 모방한 지능형 에이전트를 개발하기 위한 연구이다. 특히, 사람의 손가락 끝 부분의 피부와 같이 중심부는 밀도가 높고 주변으로 갈수록 밀도가 낮은 피부센서 기술, 사람과 같이 Log-polar Distribution을 갖는 영상의 획득장치 및 실시간 영상처리 기술, 곤충 혹은 사람의 반사운동을 모방한 지능형 행위 기반 제어 기술 등에 대한 연구가 진행 중이다.

또한, 기계 윤활 및 피막 코팅 기술 개발에 관한 연구가 진행 중이다. 여기에는 MoS2 코체 윤활 피막 연구, Soft metal coating 연구, 응착 방지용 SAM 연구, Hard coating 윤활 피막 연구, Micro/nano scale 표면 형상 기술, Micro system 용 마찰 재료 연구 등이 있으며 생체모방 표면특성 (소수성, 친수성 등) 연구에 많은 관심을 갖고 있다.

국내외의 타 연구 기관에서의 생체모방 관련 추진기관에 관한 연구로서는 현재 외국에서 파리 등의 곤충의 날개짓에 관한 연구가 학교 등을 중심으로 기초연구가 진행되고 있다. 파리의 공기역학적 비행 능력은 상상을 초월할 정도로 우수하다. 파리의 이동과 항법능력에 대한 원리를 밝혀내 하드웨어로 재구현하면 만능 곤충로봇을 만들 수 있을 것이다. 이러한 연구는 주로 미 국방관련 연구로서 DARPA의 지원을 받고 있다. 아직은 실용화된 결과는 없지만 부분적으로 많은 진전을 보이고 있다.

예를들어, 미국 버클리대의 Dickinson박사 연구팀은 Robofly라는 모형을 이용해 파리의 공중비행의 메카니즘에 대한 연구를 수행하였으며, 피에조 일렉트릭을 이용한 엑추에이터로 파리의 비행을 모사할 수 있는 추진체를 개발하고 있다. 그리고, 미국 Georgia Tech. 의 Robert C. Michelson 교수팀은 Entomopter 라는 새의 날개형상을 갖는 비행체에 대해 연구 중이며, Caltech의 Y. C. Tai 교수팀은 박쥐로부터 모방한 날개, MicroBat 의 시제품을 만들어 그 특성을 실험적으로 연구하고 있다.

움직이는 날개 주위의 유동장 해석에 관한 연구는 주로 학교에서 진행되고 있다. 현재까지는 고정된 날개 또는 회전하는 rigid blade 주위의 유동 해석에 관한 연구가 많이 진행되었고, 이러한 해석모델들을 복잡한 새 등의 날개 움직임을 표현하는 데에 1차적으로 활용되고는 있지만 부족한 면이 있다. 최근에는 이러한 복잡한 운동해석에 적합한 해석 모델들이 제시되고 있다. 이러한 새로운 개념의 모델로는 aerodynamic delayed stall model, rotational circulation mechanism, wake capture model 등이 있다.

Berkeley 대학의 Robofly 실험모델

Georgia Tech의 Entomopter

 

Cranfield 대학의 Fly Wing 시제품

Caltech. 의 MicroBat 날개형상

영국의 Cranfield 대학에서도 flapping motion을 갖는 인조날개에 대한 연구가 진행 중에 있다. 날개의 뼈대를 모사한 구조를 만들고 거기에 플라스틱 살을 입힌 형태로 제작되었으며, 미국의 Georgia Tech. 과도 협력관계를 유지하고 있다.

Caltech. 의 Y. C. Tai 교수 연구팀에서는 초소형 비행체의 날개로 박쥐에서 모방한 날개를 만들어 연구하고 있다. 티타늄 합금으로 제작되었으며 약간의 flexibility 도 가지고 있다. 실험결과에 의하면 이러한 날개의 flexibility 가 양력 및 추진력 향상에 도움을 주는 것으로 파악되고 있다.

위에 언급한 여러 연구에도 불구하고 현 기술상태는 여러 취약성을 가지고 있다. 그 예로 현재 항공기술에 적용되는 추진기구에 대응하는 새로운 추진기구에 대한 연구는 주로 파리, 벌 등의 곤충에 집중되고 있다. 이러한 작은 날개를 가지는 곤충류의 비행 메카니즘은 새나 비행기의 그것과는 매우 다른 특성은 보인다. 회전부력(rotation lift), 지연성스톨(delayed stall), 항적포착(wake capture)등의 원리에 의한 벌새나 곤충류의 비행술에 대해 알려지게 된 것도 최근이며, 구체적인 완성된 기계기구에 대한 연구는 진행중이다.

인조날개의 표면재질에 관하여도, 현재 Sol/Gel 코팅, Self-assembled monolayer, 표면 형상 변화 등에 대하여는 각 분야에서 독자적으로 연구되어 지고 있으나, 미소 device에 관한 효과적인 윤활을 해결하기 위하여 세계적으로도 연구의 시작 단계에 있으며, 국내에서도 현재 시작 단계에 있다.

이러한 현실적 여러 어려움에도 불구하고, 생물체의 능력을 따라 배우는 기술의 가능성은 무한하다. 아직도 인간의 손길이 미치지 않은 신의 발명품이 수없이 많고, 인간이 아무리 생명체를 만든다 해도 이미 만들어진 생명체의 다양성을 따라잡을 수는 없는 일이다. 자연에서 아이디어를 얻고, 자연을 닮아가면서 바이오칩이나 초고감도 바이오센서 등 꿈의 신기술을 만들어낼 수 있을 것이다. 생명체를 둘러싼 비밀의 문이 열린다면 질병의 고통에서 벗어나고, 곤충을 닮은 기계는 물론 사람을 닮은 기계를 만드는 것도 어려운 일이 아니다. 표면재료, 표면처리 등에 관하여서도, 미소 윤활을 위한 코팅 기술 및 피막이 개발된다면 세계적으로도 큰 시장을 형성할 것으로 사료된다.

결론으로서 본 연구를 통해서 벌새 날개짓을 모방한 왕복 진동형 운동에 관하여 kinematic 해석 및 유동장 해석을 통하여 벌새의 동작에 대한 체계적인 분석을 수행하고 운동 mechanism을 파악하는 것을 최종 연구 목적으로 하고 있다. 이를 바탕으로 날개의 flapping motion이 가능한 효율적인 추진기구의 아이디어를 개발하고 장치의 제작, 시험을 통하여 추진력을 확인할 계획이며, 이를 구체화하기위해 양력(lift force) 기준 3gram 이상 (벌새의 무게에 상당), 인조날개 크기 5cm 이하, 진동수 20Hz 이상인 벌새 날개짓을 모방한 왕복 진동형 운동 장치를 고안해내기위해서 노력하고 있다.

 

↑한국과학기술연구원/시스템 연구부/열유동 제어 연구센터/유체기계 연구팀 /자료 발췌.

 

Common Kingfisher(물총새)

 

Common Kingfisher(물총새)

올해 태어난 어린새가 어미에게 먹이를 달라고 조르는 것 같았습니다. 

 깃의 상태는 새끼가 더 좋아보였어요. 아마도 어미는 털갈이중인가 봅니다.

 

 

사냥시간이었습니다. 이렇게 잡힌줄 몰랐어요....

 

 

Common Kingfisher(물총새) 

 

Common Kingfisher(물총새) 

 

Grey Heron(왜가리)와 Cattle Egret(황로)

 

Green-backed Heron(검은댕기해오라기)

 

 

헬기로 농약을 주더군요... 서산간척지에서 처음 보는 상황이었죠...