벌새의 작은 신체구조는 오랫동안 인지하기 쉬운 정확한 비행, 공중 정지 동작과 같이 인공 날개와 다른 프로펠러에 영감을 주었고 드론과 항공기 산업에 큰 영향을 주고 있다. 그러나 큰 영향력에도 불구하고 새들의 움직임에 대한 많은 연구는 주로 자연 비행 관찰이나 자연적인 비행과 비슷한 조건을 갖춘 인공적인 환경에서의 비행 활동 관찰을 통해 이루어졌다.

그런데 최근 이러한 제한된 연구에서 도출된 지식들이 펜실베이니아 주립 대학의 연구원들에 의해 크게 확장되었다. 연구원들은 벌새의 움직임에 대한 가장 상세한 정보를 제공하기 위하여 벌새 날개의 근골격계를 ‘역설계(reverse-engineered)’했고 이제 차세대 드론 설계자들은 새롭고 풍부한 정보를 얻을 수 있게 되었다.

연구원들은 마이크로-CT와 X-ray 스캔을 통해 캡처한 날개의 움직임과 컴퓨터 유체 역학 시뮬레이션 데이터, 기존의 해부학 문헌을 조합하여 그들의 새로운 모델에 입력했다. 그리고 이 방대한 정보를 유전 알고리즘이라고 알려진 진화 전략에 기초한 최적화 프로그램과 결합하여 벌새의 가장 섬세한 비행에 대한 새로운 통찰을 얻었다.

펜실베이니아 주립 대학의 기계공학과 교수인 보 쳉은 이달 초 대학 발표에서 “우리는 벌새 날개 움직임 전체를 재구성하여 시뮬레이션하고 날개에 작용하는 모든 압력을 포함하여 날갯짓에 의해 생성되는 모든 흐름과 힘을 시뮬레이션할 수 있다.”라고 말했다.

그들의 새로운 모델 시스템을 통해 알려진 주요한 발견 중 하나는 ‘비행 엔진’으로 알려진 벌새의 기본 근육이 단순히 날개를 앞뒤로 퍼덕이게만 하는 것이 아니라는 점이다. 실제로 기본 근육은 날개를 양력 조절을 위한 비틀기, 상승-강하를 위해 균형을 잡는 피칭 동작에 더하여 위-아래, 앞-뒤 세 가지 다른 방향으로 움직이게 한다. 연구원들은 그 움직임을 인간이 운동하는 동안 민첩성과 안정성을 향상시키기 위해 코어 근육을 조이는 것에 비유했다.

쳉은 “벌새들은 날개를 피칭 동작을 하거나 상하 방향으로 움직이도록 조이지만 날개를 앞뒤 방향을 따라 느슨하게 유지하기 때문에 벌새의 힘 근육, 즉 비행 엔진이 실제로 날개를 세 방향 모두로 잡아당기는 동안에만 날개가 앞뒤로 펄럭이는 것처럼 보인다.”며 “이러한 방식으로 날개는 비트는 동작 뿐만 아니라 상하 움직임에서도 뛰어난 민첩성을 보인다.”고 설명했다.

여전히 추가적인 테스트를 통한 검증이 필요하지만 연구팀은 언젠가 그들의 관찰이 벌새 생체 모방에 의존하는 미래의 드론 기술 발전에 긍정적인 영향을 미칠 것이라고 확신했다.

※이 기사는 popsci.com 원문을 바탕으로 작성됐으며, 번역은 파퓰러사이언스코리아 소속 기자가 도왔습니다. 

/글 ANDREW PAUL & 이가영 기자