풍뎅이 날갯짓, 비행 로봇이 되다

겉·속날개 움직여 두 단계로 나는
장수풍뎅이 날개 작동 방식 분석
마이크로 비행 로봇 개발에 적용
파리 시각·후각 인식 체계도 주목

장수풍뎅이가 겉날개와 속 날개를 움직이는 원리를 활용해 제작한 마이크로 비행로봇. 스위스 로잔연방공과대(EPFL) 제공

SF 영화나 만화, 소설 등에서 동물이 로봇으로 변신하는 장면이 심심찮게 등장한다. 상상 속이 아닌 현실의 과학자들도 동물의 다양한 움직임과 구조에 영감을 받아 기존 로봇 기술을 개선하거나 새로운 형태의 다기능 로봇을 개발하는 사례가 늘고 있다.

스위스 로잔 연방 공과대(EPFL) 공학부, 건국대 스마트 운행체 공학과 공동 연구팀은 장수풍뎅이의 날개 작동 방식을 분석한 결과, 기존에 알려진 것과는 다른 방식으로 날개를 움직인다는 사실을 확인했다. 소형 비행 로봇 개발에 도움을 줄 것으로 기대되는 이 연구 결과는 과학 저널 ‘네이처’ 8월 1일 자에 실렸다.

딱정벌레 종류는 비행 곤충 중에 가장 복잡한 날개 구조를 갖고 있다. 겉날개는 딱딱하고 안쪽 속 날개는 얇은 막 형태로 구성돼 있다. 많은 학자가 딱정벌레목(目)에 속하는 장수풍뎅이는 가슴 근육을 이용해 속 날개를 움직일 것이라고 추정하지만 작동 메커니즘이 정확히 파악되지는 않았다.

장수풍뎅이가 비행 준비를 하는 모습. 스위스 로잔연방공과대(EPFL) 제공

연구팀은 장수풍뎅이와 동역학적으로 유사한 소형 비행 로봇을 만든 뒤 고속 카메라를 결합해 날개 작동 원리를 분석했다. 연구 결과, 장수풍뎅이의 날개는 두 단계를 거쳐 작동하는 것으로 확인됐다. 장수풍뎅이가 딱딱한 겉날개를 들어 올리면 속 날개가 부분적으로 펼쳐지고, 비행을 위해 겉날개를 퍼덕이면 속 날개가 자연스럽게 비행에 편하게 펼쳐진다. 장수풍뎅이는 날개를 접을 때도 가슴 근육이 아닌 딱딱한 겉날개를 이용해 속 날개를 제어한다는 사실도 밝혀졌다.

연구팀은 이번에 새로 확인한 장수풍뎅이의 날개 작동 메커니즘에 따른 마이크로 로봇을 새로 만들었다. 이 마이크로 로봇은 이륙은 물론 비행 중에도 안정적으로 자세를 유지하는 것으로 관찰됐다. 연구를 이끈 다리오 플로리아노 EPFL 교수는 “이번 연구 결과는 제한된 공간이나 혼잡한 공간에서 작동시켜야 하는 작은 비행 로봇을 개발하는 데 도움이 될 것”이라고 밝혔다.

또 미국 네바다 리노대 기계공학과 연구팀은 파리는 후각뿐만 아니라 시각을 이용해 냄새를 추적하고 비행한다는 사실을 밝혀내 생명과학 분야 국제 학술지 ‘커런트 바이올로지’ 7월 28일 자에 발표했다.

연구팀은 파리가 공기의 유동이 없는 상태에서 어떻게 냄새를 추적하고 비행까지 하는지 알아보기 위해 광(光)유전학 기술을 적용했다. 이번에 활용한 광유전학 기술은 빛에 민감한 단백질을 파리의 더듬이에 삽입해 원격 제어를 할 수 있도록 했다.

그 결과, 파리는 시각적 단서를 근거로 미세한 공기 흐름과 방향까지 감지한 뒤 안정적으로 비행을 하거나 냄새의 근원을 찾아낸다는 것을 확인했다. 파리는 이런 감각 인식 체계를 비행 중에 반복적으로 작동시켜, 일정한 방향과 속도로 날 수 있다고 연구팀은 설명했다.

플로리스 반 브뤼겔 교수는 “이번 연구는 미세한 냄새 분자를 감지하고, 화학 물질 누출을 추적하는 임무를 띤 드론의 알고리즘을 훈련하는 데 적용할 수 있을 것”이라고 했다.

유용하 과학전문기자