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새의 날갯짓에 숨겨진 비밀을 알고 나니 새처럼 자유롭게 나는 비행체를 만들 수 있을 것 같아! 앗, 그런데 다른 공학자도 이런 비행체를 만들었거나 개발 중이래.

15, 16세기 르네상스를 대표하는 이탈리아 과학자이자 예술가인 레오나르도 다 빈치는 새가 나는 것에 영감을 받아 사람을 태울 수 있는 ‘날갯짓 비행체’를 만들려고 했어요. 날갯짓 비행체는 새나 곤충처럼 날개를 치면서 앞으로 나아가는 비행체예요. 하지만 시간이 지나면서 프로펠러나 제트 엔진이 등장하고 비행체의 형태가 지금의 모습으로 점차 바뀌었지요.

그런데 20년 전부터 새의 비행에 다시금 관심이 커지고 있어요. 그 이유는 일반 비행기가 접근할 수 없는 곳의 정보를 수집하는 소형 무인 비행체의 필요성이 높아져서예요. 소형 비행체는 기존 비행체보다 ‘레이놀즈 수’가 낮아 다른 비행 방식이 필요해요.

새의 비행 특성이 비행체에 필요한 이유

레이놀즈 수는 흐르는 물질, 즉 유체가 이동하던 방향으로 계속 가려는 힘인 ‘관성’과 유체의 점성에 의한 힘 사이의 비율로, 비행체가 유체에서 움직일 때의 역학적 특성과 관련이 깊어요. 크기가 큰 비행체는 날개의 세로 길이가 길고 비행 속도가 빠르기 때문에 레이놀즈 수가 큽니다. 작은 비행체는 이와 반대이지요. 양력은 비행체가 앞으로 비행 중일 때 공기가 날개 표면을 따라 잘 흘러야 잘 발생해요. 하지만 레이놀즈 수가 낮은 비행체의 경우 공기가 표면을 따라 원활히 흐르지 못하고 벗어나면서 상대적으로 작은 양력이 발생합니다. 따라서 양력이 작은 소형 비행체는 레이놀즈 수가 비슷한 새처럼 날갯짓을 해야 잘 떠 있을 수 있지요.

한편 기동성이 매우 좋은 새를 모방한 비행체는 기존 비행체의 부족한 기동성을 채울 수 있다는 장점도 있어요. 새의 비행 특성을 본뜬 비행체를 연구하는 한재흥 KAIST 항공우주공학과 교수는 “새는 먹이를 빠르게 낚아채거나 포식자를 피해 요리조리 날아다닌다”며, “새처럼 안정적인 동시에 어떤 상황에서도 재빠르게 비행할 수 있는 극한의 기동성을 구현할 수 있는 비행체를 만드는 것이 목표”라고 말했어요.

최근에는 소형 비행체뿐만 아니라 새의 비행 원리를 적용한 큰 무인 비행체도 개발하고 있어요. 이 비행체는 날갯짓보다는 새처럼 날개 모양을 바꾸는 데 초점을 맞추고 있지요. 비행 조건에 따라 가장 효과적으로 날 수 있는 날개 모양으로 바꾸게 되면 에너지 효율을 높이고 탄소 배출을 낮출 수 있기 때문이에요. 그래서 연구진들은 날개의 모양을 자유롭게 변형할 수 있는 특수한 재료를 찾기 위해 노력 중이랍니다.