“수십억 년을 지탱해 온 자연은 경이롭기 짝이 없습니다. 우리가 얼마나 보잘 것 없는 존재인가를 새삼 느끼게 됩니다.” 도심을 벗어나 자연을 찾아가는 여행 프로그램에서 나올 법한 진부한 표현이다. ‘위대한’ 자연과 마주친 이들 중 겸손해지지 않을 사람이 있을까. 그런데 여기 누구보다 진지하게 자연을 관찰하고 그 앞에 하염없이 겸손해지는 사람들이 있다. 바로 생체모방 공학자들이다.

끊임없이 변하는 환경에서 살아남을 수 있었던 생물체를 분석하고 우리 생활을 이롭게 하려는 것, 생체모방 공학의 매력이다. 최근에는 기계, 항공, 소재, 생활용품, 의학 등 응용 분야를 넓히고 있다. 기존의 연구에 혁신적인 실험과 결과를 더해 가치를 만들어내고 있는 생체모방 공학 명품 7가지를 꼽았다. 이들에게 자연은 ‘진정’ 위대한 스승이다.

1 풍뎅이 무인비행기

날개 비틀어 하늘로 급발진

내 주머니 속에 있다가 필요할 때 끄집어 낼 수 있는 초소형 비행체가 있다면 어떨까. 무게는 10g 이내에 초소형 카메라가 달려 있고, 정해진 항로로 날아갈 수 있다면? 군이나 경찰이라면 귀를 쫑긋 세워볼 만하다. 인질극을 벌이는 무장강도를 제압하거나 대치하고 있는 적군의 동태를 살피는데 안성맞춤이다. 이처럼 영화에서나 나오는 초소형 무인정찰기(UAV)를 실제로 만들 수 없을까.

건국대 박훈철 교수팀은 지난 5월 장수풍뎅이를 모방해 무게 10g 안팎의 초소형 비행체를 개발하는 데 성공했다. 이 초소형 비행체는 자세가 흐트러지지 않고 지면에서 30° 방향으로 날아올랐다. 연구팀은 왜 장수풍뎅이의 날갯짓을 모방했을까. 박훈철 교수는 이렇게 설명한다.

“평소에는 접혀 있다가 도망갈 때만 펴지는 장수풍뎅이의 날갯짓이 초소형 비행체에 ‘딱’이었어요. 전진하는 힘(추력)과 띄우는 힘인 양력, 비행체의 무게 등을 고려해봤을 때 풍뎅이의 날갯짓이 매력적이었죠.”

2007년부터 개발을 시작한 연구팀은 풍뎅이의 날갯짓을 분석하는 데만 1~2년이 걸렸다. 풍뎅이는 평소 잘 날지 않는다. 연구팀은 풍뎅이가 가끔 날아오르는 순간을 초고속 카메라로 촬영해 날갯짓을 분석했다. 분석 결과 풍뎅이와 새의 날개 움직임은 크게 달랐다. 새는 날개를 아래로 내려칠 때만 앞으로 가는 힘이 발생한다. 대신 위로 올릴 때는 날개를 자연스럽게 움츠려 빠르게 올린다. 손실되는 추력을 최소화하기 위해서다. 그러나 풍뎅이는 근육이 없어 새와는 달랐다. 날개를 내렸다 올리는 동작에서 날개를 한번 비튼다. 공기와 날개가 맞닿는 각도가 비행에 필요한 양력과 추력을 유지할 수 있는 적정 각도가 되도록 바꿔주는 것이다.

몇 년의 시행착오를 거쳐 연구팀은 풍뎅이 날갯짓에 가까운 비행체를 만들었다. 날개를 비트는 동작을 그대로 흉내 내기는 어려웠다. 고민 끝에 날개 뒤쪽을 몸체에 고정시켜 날개 바깥쪽의 회전이 커지게 만들어 해결했다. 또 워낙 가벼운 비행체여서 빠른 날갯짓에 균형을 잡기가 어려웠다. 연구팀은 몇 개월 씨름한 결과 풍뎅이의 공기력 중심점을 알아내 날개를 비틀면서도 안정적인 자세로 날아오르는 초소형 비행체를 완성했다. 이밖에 무게를 최대한 줄이기 위해 초소형기계(멤스) 기술로 몸체를 만들고 탄소나노튜브 소재로 날개를 만들었다. 초소형 배터리와 모터도 직접 만들었다.

박훈철 교수는 올 1월 ‘큰 각도로 날갯짓을 하는 비행체’라는 이름으로 풍뎅이 비행체에 대해 미국 특허를 받았다. 연구팀은 풍뎅이 비행체가 리모컨 없이 1초에 35~38회 날갯짓을 하며 완벽하게 자유비행을 하도록 만드는 것을 최종 목표로 하고 있다.

[장수풍뎅이는 날갯짓을 할 때 아래로 내렸다가 위로 올리는 동작에서 날개를 한번 비튼다. 이런 동작을 통해 날개는 양력(뜨는 힘)과 추력(나아가는 힘)을 유지하는 적정 각도가 된다.]



2 깃털 자동차

새처럼 가볍게 공기저항을 줄인다

고속도로를 달리는 자동차는 어디에 가장 연료를 많이 쓸까. 바로 공기 저항을 극복하기 위해서다. 자동차 속도가 시속 120km라면 연료의 70%를 공기의 유동저항(항력)을 극복하는 데 쓴다. 만일 자동차의 유동저항을 줄인다면 연료도 크게 절약할 수 있다.

서울대 기계항공공학부 최해천 교수팀은 새 깃털의 움직임에 주목했다. 새는 하늘을 날 때 날개의 깃털을 들어 유동저항을 줄인다. 이처럼 자동차 뒷부분에 새 깃털을 모방한 장치를 달면 유동저항을 줄일 수 있지 않을까.

사실 최신 차량에는 이미 ‘디플렉터(PMD)’라는 유동저항 제어 장치가 붙어 있다. 하지만 이 장치는 고속 주행시저항을 줄여 주지만 저속 주행에서는 오히려 저항을 높인다. 새의 깃털처럼 속도에 따라 유연하게 대응하는 장치가 필요하다. 연구팀이 고안한 것은 수동으로 움직이는 PMD다. 저속 주행에서는 자동차 뒷면에 붙어 있다가 유동저항이 늘어날 때만 움직여 이를 줄여준다. 실험 결과 유동저항을 최대 7.5%까지 줄였다. 최해천 교수팀은 미국의 자동차 회사 GM과 이 장치를 실제 자동차에 적용하는 테스트를 하고 있다.

그렇다면 새 깃털이 어떻게 자동차의 유동저항을 줄여주는 걸까. 새가 날개를 펴고 공기 속을 통과할 때 날개 뒷부분에 유동저항이 발생한다. 공기 흐름과 날개의 넓은 면이 이루는 각(받음각)이 클수록 날개 뒤에 유동저항이 크게 발생해 비행 속도가 줄어든다. 자동차 뒷부분도 마찬가지다. 이 때 새는 본능적으로 깃털을 위로 든다. 위로 들린 깃털은 놀랍게도 유동저항을 줄이며 뜨는 힘(양력)을 높여 속도를 유지한다. 연구팀이 개발한 PMD라는 장치도 자동차에서 같은 역할을 한다.


 

 

3 날치 비행기

바닷속 헤엄치다 하늘로 날아오른다

수면 위를 최대 40초 동안 시속 70km로 400m를 한번에 날 수 있는 날치. 존재만으로도 신비로웠던 날치의 비행 메커니즘은 지난 2010년 밝혀졌다. 최해천 서울대 교수팀이 영국 과학학술지 ‘실험생물학저널’에 날치의 비밀을 밝힌 것. 날치는 폭이 15cm인 양 지느러미(가슴지느러미과 배지느러미)를 활짝 편 뒤 수면에서 수 cm 떠 행글라이더처럼 미끄러지듯 난다. 비밀은 가슴지느러미와 배지느러미의 각도다. 몸통을 수평으로 눕혔을 때 가슴지느러미 앞쪽은 12~15° 위를 향하고 배지느러미는 2~5° 위를 향한다. 이 각도가 날치를 비행기처럼 뜨게 하는 양력을 발생시키는 것이다.

최근 날치의 비행을 모방할 수 있는 새로운 실마리가 하나 더 나왔다. 날치의 가슴지느러미 아래에 달려 있는 뼛살이 양력을 약 25% 가량 높이는 것을 최 교수팀이 또다시 밝혀낸 것이다. 연구팀은 날치의 가슴지느러미 뒷부분에서 공기의 속도를 살펴봤다. 이 결과 가슴지느러미 윗면에서 빨라지고 아래에서는 속도가 늦어지면서 양력이 증가했다. 가슴지느러미 뼛살이 아래에 달려 있기 때문에 가능한 현상이다.

연구팀은 날치 가슴지느러미 뼈대를 조그만 원형실린더 형태로 만든 뒤 단순한 평판에 달아 실험했다. 그 결과 날치처럼 아랫면에 부착했을 때 양력이 증가했으며 특히 평판 뒷단 아래에 붙였을 때 양력이 가장 크게 늘어났음을 확인했다.

“날치 앞지느러미의 뼛살의 비밀은 항공기가 이착륙할 때 발생하는 지면 효과(일반적으로 뜨는 힘을 감소시킨다)를 제어하는 데 도움이 될 수 있어요. 궁극적으로는 날치처럼 바다 속을 헤엄치다가 필요할 때 하늘을 나는 비행체를 개발하는 것이 목표입니다.” 최해천 교수의 포부다.