파닥이는 곤충 날갯 속, 숨은 자연의 신비- 곤충이 날개 위의 소용돌이를 응용하며 나는 방법 최초 규명

파닥이는 곤충 날갯 속, 숨은 자연의 신비- 곤충이 날개 위의 소용돌이를 응용하며 나는 방법 최초 규명

 

등록일 2016-11-11

 

 

파닥이는 곤충 날갯 속, 숨은 자연의 신비
- 곤충이 날개 위의 소용돌이를 응용하며 나는 방법 최초 규명 -
 
         
□ 한국연구재단(이사장 조무제)은 장조원 교수(한국항공대) 연구팀이 곤충(나방) 날개가 만들어내는 작은 소용돌이는 이 소용돌이가 없을 때보다 비행성능을 두 배 가까이 향상시킬 수 있고, 그 소용돌이를 유지해 비행성능을 확보하려고 한다는 사실을 발견했다고 밝혔다.

□ 날아가는 곤충은 앞으로 가는 전진비행과 제자리비행이 가능하고 돌풍에도 뛰어난 안정성을 보인다. 곤충은 빠른 날갯짓으로 날개 주위에 복잡한 소용돌이를 만들어낸다. 이것은 고정된 날개를 갖는 비행기가 소용돌이를 피해 매끈한 날개 주위 흐름을 만들어 높은 효율을 얻는 것과는 완전히 다르다.

□ 그동안 소용돌이가 유지되는 원인을 알아내기 위해 다양한 연구가 진행되었지만, 크기가 작고 날갯짓이 빨라 실험 연구에 어려움이 있었다. 이에 연구팀은 제자리비행에 능숙하다고 알려진 박각시 나방*을 바탕으로 약 5배 크기를 갖는 날갯짓 로봇 모델을 제작하였다. 그리고 공기보다 밀도가 높은 물로 채우는 등 실제 곤충 비행과 동일한 환경을 구현하였다. 이는 수조상사기법*인데, 곤충 날갯짓에 비해 250배 느리게 움직이면서도 10배 증폭된 힘을 생성할 수 있어 공력특성*을 보다 쉽게 분석하기 위해서이다. 
    *박각시 나방 : 나비목 박각시과의 곤충으로 벌새와 유사하게 비행함. 
    *수조상사기법 : 공기력을 증폭하기 위해 로봇모델과 수조를 활용하는 실험기법의 하나
    *공력특성 : 공기 중에 있는 물체 주위의 유동과 물체의 운동특성을 가리킴.
□ 연구팀은 전진속도에 따라 달라지는 힘의 변화를 측정하고, DPIV* 기법을 이용해 날개 주위에 발생하는 소용돌이의 변화를 관찰하였다. 그 결과, 곤충이 날개를 파닥일 때 발생하는 날개 위 소용돌이의 안정성(소용돌이의 지속성 유지)이 곤충의 최대 비행속도를 결정할 수 있고, 양력의 세기를 2배 가까이 향상시킬 수 있음을 규명하였다. 이를 통해 곤충이 주로 선호하는 비행속도*가 날갯짓 속도의 약 25%에서 결정되는‘이유’를 처음으로 밝혔다.
      *DPIV : Digital Particle Image Velocimetry. 유동 구조를 보기 위한 가시화 기법의 하나
      *선호 비행속도(preferred flight speed): 각 곤충이 선호하는 특정 비행속도 영역

□ 이와 함께 연구팀은 곤충 날개의 가로세로 형상이 소용돌이에 미치는 영향을 분석하였다. 그 결과, 날개 면적이 넓은 경우는 날개 끝에서, 날개면적이 좁은 경우는 가슴에 붙어 있는 날개 뿌리에서 강하고 복잡한 소용돌이 구조를 생성한다는 것을 밝혀냈다. 오랫동안 진화된 곤충과 유사한 가로세로 형상(가로:세로=3:1)을 갖는 날개에서는 안정된 소용돌이와 큰 공기력이 만들어지는 것을 입증하였다.

□ 장조원 교수는“이 연구는 곤충 비행에서 최적의 가로세로 날개 형상과 최적의 비행속도 영역이 있다는 것을 최초로 규명한 연구이다. 향후 생체 모방형 차세대 드론은 물론 프로펠러, 터빈 등 다양한 공학적 개발에 폭 넓게 응용될 수 있을 것이다”라고 연구의 의의를 설명했다.
      *생체모방형 드론 : 곤충 비행방식을 모방한 드론. 기존 비행체와 달리 저속비행이 가능하고 소음이 적으며 위장이 가능해 높은 활용도가 기대되고 있음.

□ 이 연구 성과는 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구)의 지원을 받아 수행되었으며, 유체역학 분야의 국제적 학술지 유체역학저널(Journal of Fluid Mechanics) 11월 3일자에 온라인 게재되었다.

<참고자료>   1. 논문의 주요내용     2. 연구결과 개요    
             3. 연구이야기          4. 용어설명        
             5. 그림설명          

논문의 주요 내용

□ 논문명, 저자정보
   - 논문명 : The advance ratio effect on the lift augmentations of an insect-like flapping wing in forward flight
   - 저자 정보 : 장조원(교신저자, 한국항공대학교), 한종섭(제1저자, KAIST), 한재흥(공동저자, KAIST)

□ 논문의 주요 내용

  1. 연구의 필요성
   ○ 곤충모방형 비행체에 대한 최신의 이슈는 날개 윗면에 발생하는 와류(앞전와류*)가 어떤 원리를 통해 안정화 되는지에 대한 것이다. 특히 곤충의 양력 생성 메커니즘과 높은 기동 성능을 규명하는 것은 고기동 드론 개발을 위해 필수적인 단계로 인식되고 있다. 이에 따라 최신 연구들은 유동의 구조 및 거동을 분석하여 안정화 메커니즘을 파악하는 것을 주요 목적으로 두고 있다. 
       *앞전와류 : 곤충 날개의 공력증대를 유도하는 주요 유동 구조로 날개윗면에 부착됨.
   ○ 최근 곤충의 전진비*와 날개형상(가로세로비*)이 상기 메커니즘에 매우 중요한 역할을 갖고 있을 것이라는 추론이 제기되어 왔으나, 실험이 매우 어려운 영역이었기 때문에 고속 컴퓨팅 시뮬레이션을 이용해 날갯짓 초기에 대한 유동구조를 분석하는 방법에 의존하고 있었다. 유체역학적 원리를 명확하게 규명해 낸 실증적인 연구는 보고된 적이 없었고, 특히 종합적인 비행능력과 결부시킨 연구가 부족한 실정이었다.
      *전진비 : 날갯짓 속도와 전진속도의 비율을 나타내는 무차원수
      *가로세로비 : 날개의 스팬길이와 시위길이의 비를 나타내는 무차원수
 2. 연구내용
   ○ 연구팀은 수조상사기법*을 적용하기 위해 서보모터로 제어되는 대형 토우잉 탱크와 로봇모델을 자체 제작하고, 고속카메라 및 6축 힘 센서의 동기화 코드를 개발한 뒤, 비정상 후류(unsteady wake)와 관성력의 영향을 제거하는 실험기법을 고안해 적용하였다. 그리고 다양한 전진속도와 날개형상을 이용해 실험하고, DPIV를 이용해 각 날개에서 나타나는 유동구조를 정밀하게 관찰, 비교하였다. 
        *수조상사기법 : 공력을 증폭하기 위해 로봇모델과 수조를 활용하는 실험기법의 하나
 ○ 연구팀은 낮은 전진속도에서 날개 윗면에 발생하는 소용돌이(앞전와류)가 안정하게 유지되는 것을 알아냈다. 연구팀은 DPIV를 이용해 이 영역에서는 와류가 매우 안정하며 난류강도가 낮고 내려씻음이 균질하게 분포된다는 사실을 밝혀냈다. 그러나 높은 전진속도에서는 이러한 유동구조가 불안정하게 발달하면서 올려씻음이 유도되었고, 난류강도가 증가하면서 양력이 크게 감소되는 것을 실증하였다.
 ○ 또 다양한 곤충 날개의 가로세로비에 대한 공력특성을 분석한 결과(Experiments in Fluids, 2015년), 작은 가로세로비의 날개에서는 앞전와류가 강하게 유도되는 반면 비정상적으로 높은 플럭스*에 의해 앞전와류가 날개 끝으로 씻겨 내려가고, 양력증가에는 도움이 되지 않는 것을 규명하였다. 한편 가로세로비가 큰 날개의 경우 앞전와류는 완전히 발달하지 못한 채 날개 중반에서 떨어져 나가고, 이로 인해 도넛형 와류고리* 구조가 크게 약화되고 내려씻음의 양이 크게 줄어드는 것을 알아내었다.
     *플럭스(flux) : 주어진 방향에 대하여 단위시간당 물리량이 수송되는 비율.
     *도넛형 와류고리 : 날갯짓으로 유도된 유동구조 중 하나로 내려씻음을 둘러싼 형태를 갖는다.

3. 연구 성과
 ○ 이 연구는 곤충의 선호 비행속도와 최대 비행속도가 앞전와류의 안정화 메커니즘과 연관이 있으며, 곤충 날개의 가로세로비 형상이 최적화되어 진화해 왔다는 것을 밝혀낸 연구이다.
 ○ 이론적 관점에서 이 연구는 주요 파라미터로 알려진 전진속도와 날개형상이 날개 윗면에 발생하는 소용돌이(앞전와류)의 안정화에 기여하는 메커니즘을 최초로 실증한 연구로 가치가 있다. 곤충의 양력을 유지해주는 앞전와류가 나비어-스톡스 방정식*의 회전가속도*에 매우 의존적임을 확인하였으며, 각각의 회전가속도가 전진속도에 영향을 받는다는 것을 규명한 연구다. 더불어 연구팀의 결과는 전진속도와 날개형상을 변화시키는 것으로 회전가속도 항을 조절하여 아주 강한 앞전와류가 유도되는 것을 보여준다. 그러나 너무나 강한 앞전와류는 공기력 증가로 연결되지 않는다는 것을 지적하는 최초의 성과로 의미가 있다.
    *나비어-스톡스 방정식 : 실제 유동장의 흐름을 기술하는 운동 방정식.
    *회전가속도 : 회전하는 물체의 각 방향 가속도. 각가속도, 구심가속도, 코리올리가속도 등이 있으며, 곤충날개에 적합하게 무차원화된 나비어-스톡스 방정식의 요소가 된다.
 ○ 향후 생체모방형 차세대 드론의 날개와 성능을 예측하기 위해 활용될 수 있으며, 생체모방공학을 적용한 차세대 무인기의 날개와 터빈, 선박의 프로펠러 등 다양하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

연 구 결 과  개 요

 1. 연구배경
 ㅇ 곤충은 인류가 현재까지 개발한 어떠한 비행체보다 우월한 비행성능을 가지고 있다. 말파리는 최대 145km/h의 속도로 비행할 수 있고, 잠자리는 순간 25G로 움직일 수 있으면서도 장시간의 제자리 비행이 가능하다.
  ㅇ 한편 현재까지 보고된 소형 드론은 작은 크기를 갖는 근본적인 특징으로 인해 비행성능이 낮아지는 문제가 제기된다. 많은 엔지니어들은 비슷한 크기의 곤충을 모방하는 것을 해결책으로 제시하였지만, 각기 다른 방향으로 진화해 온 생체들의 독특한 비행방식으로 인해 연구가 매우 부족한 실정이었다. 그 중에서도 비행 성능이 월등한 곤충은 날갯짓으로 생성되는 유체역학적 특징이 매우 복잡해 보다 근본적인 원리이해가 필요한 상황이었다.

 2. 연구내용
  ㅇ 연구팀은 유체역학적 특징을 설명할 수 있는 전진비와 가로세로비에 관한 연구를 진행한다면 유동장의 거동에 대한 통찰과 드론 설계에 적합한 결과를 동시에 얻어낼 수 있을 것이라 예상하였다.
  ㅇ 이를 위해 서보모터로 제어되는 대형 토우잉 탱크와 로봇모델, 고속카메라 및 6축 힘 센서의 동기화 코드를 개발하였다. 다음으로 실험을 진행하면서 반드시 피해야 하는 영향(스트로크 초기의 관성력, 비정상 후류 영향 등)을 제거하는 기법을 고안해 적용하였다. 이후 전진속도와 날개형상을 변수로 하는 파라메트릭 방법을 통해 공력특성과 유동구조를 정밀하게 관찰, 비교하였다.
  ㅇ 다양한 전진속도에 대한 실험을 통해 낮은 전진비에서는 제자리 비행과 유사한 수준의 고양력 메커니즘이 유지되는 것을 확인하였다. 연구팀은 DPIV를 이용해 이 영역에서는 안정된 앞전와류와 낮은 난류강도, 균질한 내려씻음이 나타나는 것을 확인하였으나, 높은 전진속도에서는 앞전와류가 불안정해지며 연직구조로 발달하고, 올려씻음이 유도되어 충분한 양력 생성을 기대할 수 없음을 실증하였다.
  ㅇ 연구팀은 날개형상에 대한 공력특성을 분석하고, 곤충이 갖는 날개형태가 고양력 메커니즘에 최적화 되어 있음을 거시적으로 보였다. 넓적한 날개에서는 강한 앞전와류를 발견하였으나, 비정상적으로 높은 플럭스에 의해 고양력 메커니즘에는 도움을 주지 못하는 것을 확인하였고, 얇은 날개에서는 불안정한 앞전와류와 날개끝 와류가 도넛형 와류고리와 내려씻음을 약화시키는 것을 알아내었다.

3. 기대효과
  ㅇ 이 연구는 와류구조의 안정화와 양력 생성 메커니즘이 곤충의 선호 비행속도와 최대 비행속도에 미치는 영향을 규명한 최초의 연구로 의의가 있다. 또한 곤충의 날개 가로세로비 형상이 양력 생성에 최적화된 형태로 진화되었다는 것을 알아낸 최초의 연구이기도 하다.
  ㅇ 이론적 관점에서 이 연구는 곤충의 양력을 유지해 주는 유동구조가 나비어-스톡스 방정식의 회전가속도에 매우 의존적이고, 각각의 회전가속도항이 전진속도와 날개형상의 영향을 받는다는 것을 자세히 설명하고 있다. 더불어 연구진의 결과는 회전가속도 항을 직접 조절하여 강한 소용돌이를 만들어내는 것은 공기력을 증가시키기 어렵다는 것을 지적하고 있다.
  ㅇ 생체모방형 드론은 기존 비행체와 달리 저속비행이 가능하고 소음이 적으며 위장도 가능한 장점을 갖고 있어 스파이 로봇으로 세계 각국에서 개발하고자 하는 무인기 중 하나다. 연구진은 이번 연구결과가 이러한 차세대 드론 개발에 크게 기여할 것으로 예상하고 있으며, 무인기의 날개와 터빈, 선박의 프로펠러 등 다양한 분야에 응용될 것으로 기대하고 있다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

곤충 비행에 관련된 연구는 이미 미국이나 항공선진국에서 많은 연구결과를 내고 있었다. 그러나 대부분의 연구는 비행성능이 뛰어난 특정 곤충의 이동 메커니즘에 초점이 맞춰져 있었고, 고속 컴퓨팅을 이용한 시뮬레이션을 주요 방법론으로 삼았다. 본 연구팀은 생물학적 비행체들의 유체역학적 특징을 거시적으로 설명할 수 있는 방법론을 찾는다면 초소형비행체 설계요구도로 제공할 수 있을 것이라 예상하였고, 나비어-스톡스 방정식 내부의 전진비와 가로세로비가 유동구조를 결정짓는 주요한 역할을 할 것이라 추론한 뒤 본격적으로 연구를 수행하게 되었다.
□ 연구 전개 과정에 대한 소개

연구팀은 우선 한 점에서 자유롭게 세 방향으로 회전할 수 있는 로봇모델을 제작하기 위해 많은 공을 들였다. 이러한 운동을 구현한 로봇팔은 힘을 전달하고 위치를 고정하는데 불리하기 때문에 상용제품을 구할 수 없어 자체 제작했다. 또한 대형 수조와 로봇모델, 가시화 및 공력측정의 동기화를 위한 플랫폼을 구축하고, 데이터를 분석하는데 예상보다도 많은 시간이 소요되었다. 특히 높은 신뢰수준의 결과를 위해 반복측정을 진행할 때는 매우 많은 시간이 필요했다. 그러나 연구결과를 분석해가며 추론한 퍼즐이 맞춰질 때마다 큰 희열과 성취감을 느낄 수 있었다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

주요 연구대상종(種) 중 하나인 박각시 나방은 국내에 서식하지 않는다. 살아있는 박각시 나방 성체를 들여오는 방안도 고려했지만 생태교란종이라 여의치 않았고, 해외 동물학자들의 날갯짓 운동 분석 데이터에 의존해야 했다. 또한 연구팀은 로봇모델을 제작과정에서 비행제어나 로보틱스를 연구하는 팀에게 많은 자문이 필요했다. 대형 수조를 설치하는 과정에서는 항공대 연구동의 공간과 구조 한계치 등을 찾아야 했고, 적절한 크기를 선정해야 했다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

그동안 앞전와류의 안정화 메커니즘과 곤충날개의 고양력 메커니즘을 규명하기 위한 연구가 꾸준히 진행되었고, 가로세로비와 전진비가 주요한 역할을 갖고 있을 것이라는 추론이 제기되어 왔으나, 측정기법의 어려움으로 인해 가로세로비와 전진비에 관련된 원리를 실증하는 연구는 보고된 적이 없었다. 이번 성과는 가로세로비와 전진비가 앞전와류의 안정화에 기여하는 메커니즘을 세계 최초로 실증한 연구로 가치가 있다. 이번 결과는 본 연구팀의 실험기법과 연구내용이 세계적인 수준임을 증명하는 쾌거라고 생각된다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은?

생체의 이동방식은 매우 독보적으로, 인류가 만들어 낸 어떠한 비행체보다 우월한 비행성능을 갖고 있다. 이번 과제를 통해 확보한 실험 플랫폼(고속 동기화 수조상사장비)은 생체의 이동방식을 규명하는데 매우 적합하다. 향후 날개의 유연성 연구를 포함한 다양한 연구를 통해 생체모방공학이 적용된 드론을 개발하는데 일조하고자 한다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

연구팀이 본 연구를 위해 고안한 장비는 예상보다도 많은 변수가 존재했다. 특히 회전하는 부품들의 공차가 너무 높아 정확한 실험이 불가능했고, 기어박스 등을 자체제작하며 공차최소화를 이룩하는데 많은 시간을 할애해야 했다. 이러한 과정에서 실험데이터를 제때 얻어내지 못해 연구실적이 없어 평가에서 좋지 않은 점수를 받는 등 우여곡절이 너무 많았다.
DPIV 시스템도 너무 고가였기 때문에 한정된 예산으로는 구축하기 어려웠다. 연구진은 고속카메라와 레이저 등을 각각 구매해 시스템을 구축하고, 오픈소스 기반 프로그램으로 유동구조를 해석했다. 당시 프로그램이 연구팀의 상황에 맞지 않아 코드를 수정하며 개발자와 이메일을 주고받았던 것이 기억에 난다. 이 자리를 빌려 네덜란드 그로닝겐 대학의 William Thielicke 박사에게 감사드린다.

용 어 설 명

1. 유체역학저널 (Journal of Fluid Mechanics)
  ㅇ 1956년 케임브리지 대학 응용수학 및 이론물리학과(DAMTP)에서 출발한 유체역학 전문 학술지. 현재 유체역학(Fluid Mechanics)분야 최상위학술지다. (2015년 IF : 2.514)

2. 박각시 나방
  ㅇ 나비목 박각시과의 곤충으로 벌새와 유사하게 비행한다.

3. 공력특성
  ㅇ 공기 중에 있는 물체 주위의 유동과 물체의 운동특성을 가리킴.

4. DPIV(Digital Particle Image Velocimetry)
  ㅇ 유동 구조를 보기위한 가시화 기법의 하나

5. 선호 비행속도(preferred flight speed)
  ㅇ 각 곤충이 선호하는 특정 비행속도 영역

6. 생체모방형 드론
  ㅇ 자연계 생물의 비행방식을 모방한 차세대 드론. 기존 무인기와 달리 저속비행이 가능하고 소음이 적으며 위장이 가능해 높은 활용도가 기대되고 있음.

7. 앞전와류
  ㅇ 곤충의 양력 증대를 유도하는 주요 유동구조로 날개윗면에 부착됨.

8. 전진비
  ㅇ 날갯짓 속도와 전진속도의 비율을 나타내는 무차원수

9. 가로세로비
  ㅇ 날개의 스팬길이와 시위길이의 비를 나타내는 무차원수

10. 수조상사기법
  ㅇ 공력을 증폭하기 위해 로봇모델과 수조를 활용하는 실험기법의 하나

11. 플럭스(flux)
  ㅇ 주어진 방향에 대하여 단위시간당 물리량이 수송되는 비율.

12. 도넛형 와류고리
  ㅇ 날갯짓으로 유도된 유동구조중 하나로 내려씻음을 둘러싼 도넛 형태를 갖는다.

13. 나비어-스톡스 방정식
  ㅇ 유동장의 흐름을 기술하는 운동 방정식.

14. 회전가속도
  ㅇ 회전하는 물체의 각 방향 가속도. 각가속도, 구심가속도, 코리올리가속도 등이 있으며, 곤충날개에 적합하게 무차원화 된 나비어-스톡스 방정식의 요소가 된다.

그 림 설 명

 
           a) 낮은 전진비의 유동 구조      b) 높은 전진비에서의 유동 구조

             (그림1) 새롭게 규명한 날개 위 소용돌이의 구조

   전진비에 따른 날개 윗면의 소용돌이(앞전와류)의 형태변화를 나타내는 그림이다(Journal of Fluid Mechanics, 2016). 날개가 동일한 위치에 도착할 때 고속 동기화 기법을 활용해 각각의 단면을 반복 촬영하고 이를 합성하여 순간 유동장으로 표현하였다. 전진비 0.25이하 (그림 a)에서는 대부분의 영역에서 날개 위 소용돌이가 안정적으로 유도(지속적으로 유지)되었고 매우 균질한 형태의 속도장이 상당구간에 걸쳐 유지되었다. 반면, 높은 전진비(그림 b)에서는 불안정한 형태의 소용돌이 구조로 발달하였고, 매우 좁은 후류 영역을 가졌다. 이것은 날개 끝 소용돌이가 매우 커져 내려씻음 영역을 좁히고 도넛형 와류고리를 약화시켰음을 의미한다. 이와 같이 곤충은 낮은 전진비에서 날개 위 소용돌이 구조를 지속적으로 유지해 비행성능을 향상시킬 수 있음을 규명하였다. 다양한 곤충이 주로 비행하는 선호 비행속도는 날갯짓 속도의 약 25%에서 결정되는 이유를 규명했다.

  
 a) AR=1.5       b) AR=3.0           c) AR=6.0

              (그림2) 다양한 가로세로비 날개의 후류 가시화 결과 

   날개의 가로세로 형상에 따라 달라지는 유동구조를 나타내는 그림이다(Experiments in Fluids, 2015). 날개가 넓은 경우 (그림 a)에서는 날개끝 와류가 매우 강하게 나타나는 반면, 좁은 날개(그림 c)는 날개 끝 소용돌이를 크게 약화시켰다. 이것은 도넛형 와류고리의 비대칭적 구조를 유도하여 양력성능을 저하시키고 효율을 감소시키는 요인이 되었다. 한편 오랫동안 진화된 곤충과 유사한 날개(가로세로비 AR=3, 그림 b)에서는 아랫방향의 흐름 구조가 가장 균일한 분포를 보이며, 안정된 소용돌이와 높은 공력성능을 보였다. 이것은 실제 곤충 날개의 가로세로비가 대략 3.0으로 진화된 이유를 간접적으로 설명한다.