[논문]자연모사를 위한 유체-구조 연성 해석

김대겸

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이 글에서는 유연한 수중 동물들의 다양한 추진 및 감각 기관의 형태와 기능을 이해하기 위한 유체-구조 상호작용 연구와 이를 기반으로 한 자연모사 공학 응용에 대해 소개하고자 한다.

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문제 정의

새와 곤충의 비행 원리를 응용한 초소형 비행체, 물고기의 수영 원리를 이용한 잠수체, 수면 위를 이동하는 소금쟁이를 모사한 로봇, 식물 내의 모세관 현상을 이용한 이송시스템 등에 대한 유체역학 연구가 그동안 활발히 이루어져 왔다. 이 글에서는 위의 분야 외에 상대적으로 덜 알려진 생체유체역학과 자연모사 연구 분야를 소개하고자 한다.
지금까지 수중 동물들의 추진 기관과 유동 감지 기관에 대해서 생체역학적인 관점에서 살펴보았다. 매우 유연한 젤라틴 동물들은 비록 단순한 구조로 이루어져 있지만 주어진 목적을 위해 정교하고 최적화된 움직임을 보이며, 수중 동물들의 유동 감지 기관의 형태가 외부 자극을 효율적으로 감지하기 위한 최적화의 산물이라는 것이 최근 일련의 연구를 통해서 밝혀졌다.

제안 방법

인간이 만들어온 제트 엔진은 지속적으로 제트를 방출시키면서 추진력을 얻지만, 해파리, 오징어 등은 반복적으로 물을 방출하면서 추진력을 얻는다. 수중 동물의 복잡한 제트 추진 메커니즘을 이해하기 위해서 유체공학자들은 먼저 간단한 와류 고리 발생기(vortex ring generator) 모델을 이용하여 연구를 하였다. 발생기 실린더 내부의 물이 피스톤에 의해 외부로 방출되면서, 그림 1 좌측 상단에서 보는 바와 같이 고리 모양의 와류를 형성하게 된다.

성능/효과

발생기 실린더 내부의 물이 피스톤에 의해 외부로 방출되면서, 그림 1 좌측 상단에서 보는 바와 같이 고리 모양의 와류를 형성하게 된다. 와류 고리의 형태가 와류 발생기의 크기와 운동 조건에 영향을 받는다는 사실에 주목하여, 주어진 시간에 최대 추진력을 얻을 수 있는 와류 고리의 형태와 와류 발생기의 최적화된 운동 조건을 밝혀내었다. 와류 발생기를 이용한 연구는 해파리에 대한 생체역학 연구로 확장 적용되었는데, 실제로 해파리의 몸통 수축 운동은 와류 고리를 연속적으로 발생시키면서 최대 추진력을 얻도록 최적화되었다는 것이 밝혀졌으며, 이러한 해파리의 제트 추진 방식은 잠수체의 추진 효율을 향상시키기 위해 응용되기도 하였다(그림 1 우측 상단).
도관 신경소구와 달리 표면적 신경소구는 물고기 표면의 경계층(boundary layer)에 존재를 하는데, 경계층 내부의 점성 효과에 의해서 감지하고자 하는 외부 유동 패턴에 변형이 일어나므로, 물고기의 측선의 기능을 이해하기 위해서는 경계층의 영향을 정확하게 파악해야 한다. 표면적 신경소구를 간단하게 실린더 형태로 가정하고 보에 대한 응력 해석 이론(beam theory)을 이용한 유체-구조 연성 모델링을 통해서, 경계층이 외부의 작은 진동수의 유동 자극은 그 크기를 감소시키고, 큰 진동수의 유동 자극에는 영향을 주지 않는 고역 필터(high pass filter)와 같은 역할을 한다는 것이 밝혀졌다. 그러나 물고기 표면 경계층 내부의 난류의 영향, 외부 유동이 아닌 물고기 자체의 움직임에 의한 발생한 유동이 신경소구에 미치는 영향, 다수의 신경소구를 이용한 종합적인 유동 패턴 분석 방법 등에 대한 이해는 여전히 부족한 실정이다.

후속연구

군집 윗부분의 어리고 약한 관해파리는 방향전환을 위한 토크를 발생시키고, 뒤쪽의 상대적으로 크고 강한 관해파리는 진행방향의 추진력을 발생시키는 조직적인 움직임을 통해서 관해파리 군집체는 효율적으로 병진 및 회전 운동을 할 수 있다. 군집 이동에 대한 생체 유체역학적인 연구가 현재 진행 중이며, 이를 통해 수중 소프트 로봇의 군집 이동 등에 대해서 자연모사 해법을 얻을 수 있을 것으로 예상한다.
빗해파리는 몸통 내부 표면에 줄지어 배열되어 있는 섬모를 이용하여 몸통 안쪽으로 먹이 포식을 위한 유동 (feeding current)을 만들어내는데, 먹이가 이러한 유동을 감지하지 못하도록 유동의 속도가 균일하도록 정교하게 섬모의 움직임을 제어하고, 이를 통해 먹이를 몸 안쪽으로 이동시켜 포식을 한다(그림 3 오른쪽). 이는 관성력이 큰 영역에서도 섬모를 이용하여 정교한 유동 제어가 가능하다는 것을 보여주는 일례로, 섬모 형태의 소프트 액추에이터를 이용하여 다양한 스케일에서 유동을 제어하는 데 응용될 수 있을 것이다.
또한 외부의 불규칙한 유동에 대해서는 원형 실린더 모양의 수염보다 더 큰 진폭으로 진동을 하게 되어, 외부 유동 패턴을 보다 정확하게 감지할 수 있다. 이러한 물결 모양의 바다표범 수염을 모사한 유동 센서가 현재 개발 중이며, 수중 로봇의 제어, 해양 환경 모니터링 등의 목적으로 활용될 예정이다.
매우 유연한 젤라틴 동물들은 비록 단순한 구조로 이루어져 있지만 주어진 목적을 위해 정교하고 최적화된 움직임을 보이며, 수중 동물들의 유동 감지 기관의 형태가 외부 자극을 효율적으로 감지하기 위한 최적화의 산물이라는 것이 최근 일련의 연구를 통해서 밝혀졌다. 지금까지의 연구를 토대로 외부 환경 요인에 의한 추진 및 유동 감지의 영향, 센싱과 액추에이션의 통합, 군집 이동하는 생명체의 동기화된 움직임의 역학적인 효율성 등의 주제에 대해서 앞으로 연구가 활발히 진행될 것이다. 생명체를 대상으로 한 모델링, 실험, 수치해석 기법이 빠른 속도로 발전하고 있기에, 소프트 생명체에 대한 유체역학 연구와 이를 토대로 한 자연모사 시스템 개발에 대한 관심은 지속적으로 증가할 것으로 예상한다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

인간이 만든 제트엔진과 수중생명체의 추진 방식은?

제트 추진이란 기관을 수축하면서 몸 안에 있는 물을 방출시키고, 반작용으로 추진력을 얻는 방식이다. 인간이 만들어온 제트 엔진은 지속적으로 제트를 방출시키면서 추진력을 얻지만, 해파리, 오징어 등은 반복적으로 물을 방출하면서 추진력을 얻는다. 수중 동물의 복잡한 제트 추진 메커니즘을 이해하기 위해서 유체공학자들은 먼저 간단한 와류 고리 발생기(vortex ring generator) 모델을 이용하여 연구를 하였다.

제트 추진이란?

소프트한 수중 생명체 중 일부는 새, 곤충, 물고기에서는 찾아 볼 수 없는 제트를 이용한 추진 방식을 이용한다. 제트 추진이란 기관을 수축하면서 몸 안에 있는 물을 방출시키고, 반작용으로 추진력을 얻는 방식이다. 인간이 만들어온 제트 엔진은 지속적으로 제트를 방출시키면서 추진력을 얻지만, 해파리, 오징어 등은 반복적으로 물을 방출하면서 추진력을 얻는다.

물고기는 어떻게 유동을 감지하는가?

동물들의 감각 기관을 모사한 센서의 개발 또한 요즘 큰 각광을 받고 있는데, 수중 동물들의 대표적인 유동 센서로는 측선(lateral-line system)을 들 수 있다. 물고기는 포식, 장애물 회피, 집단 이동 등의 행동들을 위해 측선을 이용하여 유동을 감지하며, 어두운 수중 환경, 탁한 수질 등 시각 정보를 얻기 어려운 상황에서 측선의 역할은 더욱 중요하다. 물고기 주변의 유동은 측선의 마이크로 스케일의 젤 형태의 유연한 신경소구(neuromast)라 불리는 수용기관을 통해 감지된다(그림 4).

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