[논문]딱정벌레목 곤충의 날갯짓에 대한 실험적 연구

유용훈; 장두환; 박훈철; 변영환; 변도영

doi:10.5139/jksas.2008.36.1.001

[국내논문] 딱정벌레목 곤충의 날갯짓에 대한 실험적 연구
Experimental Study on Flapping of a Coleoptera 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.36 no.1, 2008년, pp.1 - 6

유용훈 (건국대학교 항공우주정보시스템공학과) , 장두환 (건국대학교 항공우주정보시스템공학과) , 박훈철 (건국대학교 신기술융합학과) , 변영환 (건국대학교 항공우주정보시스템공학과) , 변도영 (건국대학교 항공우주정보시스템공학과)

초록
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본 연구에서는 딱정벌레목 곤충의 비행특성을 알아보기 위해 유동가시화가 수행되었고, 겉날개의 날갯짓의 영향에 대해 고찰하였다. 또한 고속 카메라를 이용하여 겉날개와 속날개의 움직임을 분석하였다. 실험 결과 날갯짓 하는 곤충의 세 가지 양력발생 원리를 확인할 수 있었다. 그리고 겉날개의 미세한 날갯짓을 확인할 수 있었으며, 겉날개의 효과를 예상할 수 있었다.

A flow visualization is conducted to investigate a flight characteristics of a Coleoptera and an effect of flapping elytra was considered in this study. Also the movements of outer wing(elytra) and inner wing is analyzed using High Speed Camera. As a result of this experiment, in case of flapping insect, three mechanisms to generate lift is confirmed. A small movement of outer wing(elytra) is confirmed and the effect of outer wing(elytra) is estimated.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

얻고자 하였다. 고속 카메라를 이용하여 겉 날개와 속날개의 움직임을 분석하여 딱정벌레목 곤충 비행 연구의 가장 기초가 될 수 있는 자료를 수집하고자 하였다.
그림 5는 속날개에 의한 전단 와류(leading edge vortex, LEV)의 생성과 겉 날개의 날갯짓을 보여주고 있다. 더불어 겉 날개의 영향을 규명하기 위하여 겉날개만을 펼치고 있을 때의 유동가시화 실험을 수행하여 겉 날개 끝단에서 발생하는 와류가 속날개의 날갯짓에 어떠한 영향을 미치는지 살펴보았다. 그림 6에서 보여주는 바와 같이 겉날개 끝에서 발생한 와류는 고정익 항공기 날개 끝단에서 발생되는 와류와 매우 유사한 모습이었으며 이 와류의 존재가 비행에 영향을 줄 수 있음을 파악할 수 있다.
본 연구는 가시화 실험을 통해 곤충이 나는 원리를 분석하고 날갯짓의 특성을 알아내는 연구이다. 연선가시화 실험을 통해 장수풍뎅이 역시 비행 중에 실속 지연 (delayed stall) 과 회전 상승 (rotational lift), 그리고 항적 획득 (wake capture)을 사용하는 것을 직접 확인할 수 있었다.
유동가시화를 통하여 딱정벌레목 곤충의 날갯짓에 의한 유동의 흐름의 변화를 가시화하고, 겉날개의 날갯짓이 어떠한 영향을 미치는지 파악함으로 앞으로의 곤충비행 모방 연구의 토대를 얻고자 하였다. 고속 카메라를 이용하여 겉 날개와 속날개의 움직임을 분석하여 딱정벌레목 곤충 비행 연구의 가장 기초가 될 수 있는 자료를 수집하고자 하였다.
딱딱한 겉날개는 날기에 좋게 비행 자세를 유지하고, 날지 않을 때에는 그 아래 접혀 들어간 뒷날개와 몸을 안전하게 보호한다[8]. 현재까지 딱정벌레목 곤충에 대한 비행 특성에 대한 연구가 보고된 바가 없어 본 연구에서는 딱정벌레목 곤충인 장수풍뎅이의 비행 특성과 날갯짓을 연구하고자 하였다.

가설 설정

고속 영상을 분석하여 날개 시위선의 움직임을 2차원 상태로 가정하여 운동역학을 측정하였다. 그림 9는 측면에서 관찰한 날갯짓을 이용하여 날개끝과 중심의 시위선의 운동을 시간에 따른 변화를 보여주고 있다.

제안 방법

실험은 4mm 직경의 스테인리스 튜브에 매단 장수풍뎅이 암컷을 풍동 시험부안에 고정하고 풍동 상류에서 연(smoke)을 발생시키면서 고속카메라를 이용하여 모델의 날갯짓에 의한 유동의 변화를 관찰하였다. 촬영한 영상을 바탕으로 속 날개와 겉날개의 시간에 따른 위치변화를 측정하였다.
변화를 관찰하였다. 촬영한 영상을 바탕으로 속 날개와 겉날개의 시간에 따른 위치변화를 측정하였다. 실험 대상으로 총 7마리의 장수풍뎅이 암컷을 이용하였고, 날갯짓 분석을 위한 고속촬영은 Photron사의 ultima APX 고속카메라를 이용하여, 1024 X 1024 pixel, 2000 FPS로 촬영하였다.

대상 데이터

속.겉날개의 정확한 움직임을 알아내기 위해 자유비행과 가장 유사한 날갯짓 약 100회의 영상을 분석하였다 그 중 상향 . 하
촬영한 영상을 바탕으로 속 날개와 겉날개의 시간에 따른 위치변화를 측정하였다. 실험 대상으로 총 7마리의 장수풍뎅이 암컷을 이용하였고, 날갯짓 분석을 위한 고속촬영은 Photron사의 ultima APX 고속카메라를 이용하여, 1024 X 1024 pixel, 2000 FPS로 촬영하였다. 풍동 내의 유속은 실제 곤충의 비행속도와 유사한 2~4 m/s 로 설정하였고, 실험 기간은 2006년 8월부터 11월까지 수행하였다.
실험 모델로는 장수풍뎅이 (Allomyrina dichotoma) 암컷을 선정하였다. 장수풍뎅이 암컷은 딱정벌레목 곤충 중 비교적 대형(몸통 길이 약 4cm)이고 비행가능성이 수컷보다 더 많다.
실험 대상으로 총 7마리의 장수풍뎅이 암컷을 이용하였고, 날갯짓 분석을 위한 고속촬영은 Photron사의 ultima APX 고속카메라를 이용하여, 1024 X 1024 pixel, 2000 FPS로 촬영하였다. 풍동 내의 유속은 실제 곤충의 비행속도와 유사한 2~4 m/s 로 설정하였고, 실험 기간은 2006년 8월부터 11월까지 수행하였다.

성능/효과

고속 영상을 바탕으로 속. 겉날개 끝단의 움직임과 속날개 시위선의 움직임을 분석하여 딱정벌레목 곤충의 날갯짓 특징을 알아낼 수 있었다. 또한 다른 비행 곤충들과 차별화된 겉 날개와 속날개의 유기적인 움직임과 겉날개에 의한 그 효과를 발견하였다.
그림 7은 겉 날개의 와류와 속날개의 전단 와류와의 관계를 보여주고 있다. 겉날개에서 발생한 tip vortex 가속 날개의 상향날갯짓 (up-stroke) 과 하향날갯짓 (down-stroke) 시 발생하는 와류를 분리시키는모습을 확인할 수 있었다. 그리고 tip vortex 가상 향 날갯짓 (up-stroke)시 발생한 vortex를 하향 날갯짓 (down-stroke)시 발생한 vortex보다 빠르게 뒤로 이동 시키는 것을 확인할 수 있었다.
또한 다른 비행 곤충들과 차별화된 겉 날개와 속날개의 유기적인 움직임과 겉날개에 의한 그 효과를 발견하였다. 겉날개의 날갯짓이 비행자세 안정 효과와 더불어 미세한 양력 발생을 예상할 수 있었으며, 겉날개의 tip vortex 가속 날개 의 상향날갯 짓과 하향날갯짓 에서 발생한 와류를 분리하는 것을 확인하였다.
겉날개에서 발생한 tip vortex 가속 날개의 상향날갯짓 (up-stroke) 과 하향날갯짓 (down-stroke) 시 발생하는 와류를 분리시키는모습을 확인할 수 있었다. 그리고 tip vortex 가상 향 날갯짓 (up-stroke)시 발생한 vortex를 하향 날갯짓 (down-stroke)시 발생한 vortex보다 빠르게 뒤로 이동 시키는 것을 확인할 수 있었다.
겉날개 끝단의 움직임과 속날개 시위선의 움직임을 분석하여 딱정벌레목 곤충의 날갯짓 특징을 알아낼 수 있었다. 또한 다른 비행 곤충들과 차별화된 겉 날개와 속날개의 유기적인 움직임과 겉날개에 의한 그 효과를 발견하였다. 겉날개의 날갯짓이 비행자세 안정 효과와 더불어 미세한 양력 발생을 예상할 수 있었으며, 겉날개의 tip vortex 가속 날개 의 상향날갯 짓과 하향날갯짓 에서 발생한 와류를 분리하는 것을 확인하였다.
관찰할 수 있었다. 상향날갯짓의 중간 정도에는 받음각이 거의 90도에 이르는 모습을 보였다 그리고 하향날갯짓보다 상향날갯짓일 때 받음각의 변화가 훨씬 큰 것을 알 수 있었다.
속날개의 상하 이동 변위는 약 65 nun이었고, 전후 이동변위는 약 50 mm이었다. 속날개의 날갯짓 움직임에 맞추어 겉날개 역시 상하 9~10 mm 와 전후 3~4 mm 정도의 미세한 날갯짓이 있음을 확인하였다. 이로 인한 추가적인 양력발생이 있을 것으로 예상할 수 있다.
연선가시화 실험을 통해 장수풍뎅이 역시 비행 중에 실속 지연 (delayed stall) 과 회전 상승 (rotational lift), 그리고 항적 획득 (wake capture)을 사용하는 것을 직접 확인할 수 있었다. 고속 영상을 바탕으로 속.

후속연구

장수풍뎅이의 비행을 모방하는 flapping 모델을 제작하고, 입자유속계 (particle image velocimetry, PIV)를 이용한 곤충날개 주변 유동의 정량적인 해석이 필요하다. 더불어 본 연구를 통하여 획득한 날갯짓 data를 이용하여 전산해석이 함께 진행되어야 할 것이다.
하지만 향후 날갯짓에 대한 추가 연구가 요구된다. 장수풍뎅이의 비행을 모방하는 flapping 모델을 제작하고, 입자유속계 (particle image velocimetry, PIV)를 이용한 곤충날개 주변 유동의 정량적인 해석이 필요하다.

참고문헌 (9)

Alexander, D.E., Nature's Flyers, The Johns Hopkins University Press, 2002
Dudley, R., The Biomechanics of Insect Flight, Princeton University Press, 2000
Sibley, D.A., The Sibley Guide to Bird Life & Behavior, Chanticleer Press, 2001
Dickinson M.H., et al., "Wing rotation and the aerodynamics basis of insect flight", Science 284, 1999, pp. 1954-1960

상세보기
Ellington C.P. "The novel aerodynamics of insect flight: Application to micro-air vehicles", The Journal of Experimental Biology, 202, 1999, pp. 3439-3448

상세보기
Wang, Z. J., "Two dimensional mechanism for insect hovering", Phys. Rev. Lett., Vol. 85, 2000, pp. 2216-2219

상세보기
Burkett C.W., "Reduction in induced drag by use of aft swept tips", Aeronautical Journal, Vol 93, 1989, pp. 400-405
Saputra, Doyoung Byun, Yung Hwan Byun, Hoon Cheol Park, "Experimental and Numerical Study on Flapping Wing Kinematics and Aerodynamics of Coleoptera", Key Engineering Materials, 2006
박훈철, 이순기, "새/곤충 모방 비행 로봇의 연구를 위한 새/곤충 날개의 작동원리", 한국항공우주학회지 제 33권 6호, 2005, pp. 100 - 107

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