건국대학교 KU융합과학기술원 박훈철 교수팀(스마트운행체공학과)이 장수풍뎅이의 날개 펼침 원리를 규명해 장애물에 충돌해도 충격을 완화해 비행을 지속할 수 있음을 입증했다고 9일 밝혔다. 또 장수풍뎅이 뒷날개 접힘-펼침을 모방한 인공 날개를 곤충모방 날갯짓 비행로봇에 장착해 날갯짓 비행 중에 바깥 날개가 장애물과 충돌해도 지속적인 비행이 가능하게 했다.
이 연구 성과는 과학 분야 권위 학술지 가운데 하나인 사이언스지 4일 온라인 판에 게재됐다.
연구팀 관계자는 “풍뎅이는 곤충 중에서 유일하게 뒷날개를 펼쳐서 비행하고 접어서 육상 또는 수중에서 기동한다”며 “풍뎅이의 뒷날개 펼침과 접힘 과정은 그 동안 몇 가지 원리로 설명돼 왔지만 뒷날개가 완전히 펼쳐지는 과정에 대해서는 명확한 설명이 부족했다”고 설명했다.
연구팀은 장수풍뎅이 날개를 큰 각도의 날갯짓을 발생할 수 있는 날갯짓 장치에 장착하고 이를 장수풍뎅이의 날갯짓 주파수인 38Hz로 구동하면서 디지털 초고속 카메라로 촬영해 접혔던 날개가 날갯짓 초반에 공기력과 관성력으로 완전히 펼쳐짐을 실험했다.
연구팀은 날개 접힘부를 제거하면 날개 접힘 형태를 유지할 수 없었고 날개 막이 모두 제거되면 날갯짓을 더 많이 해야 날개가 완전히 펼쳐졌다. 초기 날갯짓으로 발생하는 관성력과 공기력이 날개를 완전히 펼치는 원천임을 입증했다.
연구팀은 또 장수풍뎅이가 비행 중에 날갯짓 하는 날개가 장애물(수직으로 세워진 막대)과 충돌할 때를 초고속 카메라로 촬영한 결과, 장애물이 몸체에 가까운 경우에는 펼쳐진 다리로 장애물을 붙잡고 장애물이 안쪽 날개에 부딪히는 경우에는 충돌 후 추락하며, 장애물이 바깥쪽 날개에 부딪히는 경우에는 자세를 재조정해 다시 비행할 수 있음을 밝혔다.
연구팀은 장수풍뎅이 날개 펼침-접힘 원리를 모사해 공학적으로 구현한 인공 날개를 꼬리날개 없는 곤충모방 날갯짓 비행로봇에 장착했다. 비행로봇을 장수풍뎅이와 같은 방법으로 비행 시험해 비행로봇 안쪽 날개가 장애물과 충돌했을 때는 장수풍뎅이와 마찬가지로 자세를 잃고 추락했으나 바깥쪽 날개가 비행 중 장애물과 충돌할 때는 자세에 큰 변동 없이 비행을 지속할 수 있었다.
연구팀은 “바깥쪽 날개가 장애물에 충돌할 때는 날개가 접히는 부분에서 충돌 에너지를 흡수하고 아주 짧은 시간 안에 다시 바깥쪽 날개가 펼쳐지게 해 날갯짓 비행을 지속할 수 있게 한다는 것을 증명했다”고 설명했다.
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박훈철 교수는 “이번 연구에서 개발한 장수풍뎅이 모방 날개를 장착하면 날갯짓 비행로봇이 장애물에 부딪혀도 비행을 지속해 주어진 임무 완수 가능성을 높일 수 있다”라고 밝혔다.
이번 연구 성과는 건국대학교 브레인풀 지원사업과 한국연구재단 기초연구실지원사업의 부분적 지원으로 수행됐다. 저자는 박훈철 교수 연구실의 외국인 전임 조교수인 판호앙부 박사가 주저자 및 공동 교신저자, 박훈철 교수가 교신저자로 논문에 게재됐다.
