생체모방공학의 실제

나비의 첨단 비행술

나비가 하늘을 나는 모습을 보면 아주 독특하게 하늘을 난다는 생각이 들 것이다. 왜 나비는 벌처럼 직선으로 날지 않고 지그재그로 곡예비행을 하는 것일까? 프랑스 철학자 바슐라르가 말한 것처럼 커다란 날개 때문에 비행하기가 어려워서일까? 사실 나비는 다른 곤충에 비해 커다란 날개를 가지고 있다. 게다가 날개도 한 쌍이 아니라 두 쌍, 즉 넉 장이나 된다. 나비의 독특한 비행의 신비는 그 날개에 들어 있다. 새들과 마찬가지로 나비 역시 날개짓을 하여 공기로부터 힘을 얻어 비행을 한다. 그러나 나비의 날개 움직임은 매우 복잡하여 부양력이 어떤 메커니즘으로 발생하는가에 대하여는 자세히 알려지지 않았다.

미국 코넬 대학교 신경생물학 행동학과 토마스 아니스너 교수는 이런 의문에 답하기 위해 다소 엽기적인 실험을 하였다. 그는 나비 날개를 떼어낸 후 어떻게 될지 관찰한 결과 앞날개가 없는 나비는 날지를 못했다. 그러나 뒷날개가 없는 나비는 앞날개 한 쌍을 펄럭이며 사뿐히 날아올랐다. 나는 모습을 봐도 날개 4장이 다 있을 때와 별 차이가 없었다. 바슐라르의 주장처럼 커다란 날개가 나는데 방해가 되지는 않았지만 적어도 뒷날개는 있으나 마나 한 존재인 셈이다. 과연 그럴까? 아이스너 교수팀은 배추흰나비와 집시나방의 비행궤적을 3차원 비디오로 기록한 뒤 자세히 분석했다. 그러자 눈에 보이지 않던 차이가 났다. 앞날개로만 날 경우 비행속도도 늦어질뿐더러 비행경로가 단순해졌다. 연구자들은 미국과학원 회보에 발표한 논문에서 ‘나비가 나는 데는 뒷날개가 없어도 되지만 현란한 비행을 하려면 꼭 있어야 한다’ 고 하였다. 아이스너 교수는 나비의 현란한 곡예비행 덕분에 나방은 박쥐의 공격에서 벗어날 수 있고 새들의 먹이가 되지 않는다고 하였다.

보통 새들이 공중에서 곤충을 잡을 때는 비행 궤적을 예측해 돌진한다. 대공포가 비행기를 격추하기 위해 포탄을 발사할 때 비행기 속도와 떨어진 거리를 예측해 앞쪽에다 조준하는 것과 같은 이치이다. 그런데 나비는 자유자재로 비행 방향과 속도를 바꿈으로 이런 예측이 불가능하게 하여 위험으로부터 자기를 보호하고 있는 것이다.  또한 영국 옥스퍼드 대학의 스리글리 박사팀은 나비를 자유 비행시키고 고속 CCD카메라를 사용하여 나비 날개의 주변에 생기는 흐름을 자세히 조사 하였다. 그 결과 나비는 날개를 내리칠 뿐만 아니라 날개 모양이나 그 운동을 미묘하게 변화시키고 공기의 소용돌이나 날개 뒤쪽에 발생하는 난기류를 포착하여 비행하고 있음을 알아냈다. 나비는 이들 방법을 상황에 맞추어 능수능란하게 사용하여 비행을 하는 것이다. 이에 따라 전진비행만이 아니라, 공중에 정지하거나 뒤로 물러나며 날기도 한다. 이런 공기의 흐름을 조절하는 나비의 비행방법을 배울 수 있다면 에너지 절약성과 운동성을 겸비한 비행기를 만들 수 있을 것이다. 영국 옥스퍼드대학 동물학과 토마스 교수팀은 지난 2002년 네이처지에 발표한 논문에서 나비의 펄럭거림은 다양한 양식의 비행을 가능케 하는 비밀이라고 설명했다. 사람의 눈에는 그냥 펄럭이는 동작으로 보이지만 펄럭이는 속도나 각도, 회전방향을 미묘하게 조절해 원하는 비행을 한다는 것이다.

나비의 비행술은 정말 놀랍다. 장거리 여행을 하는 동물에는 새나 고래 등만 있는 것이 아니라 연약한 나비 종류도 있다. 여름 동안 미국과 캐나다에서 흔히 볼 수 있는 모나크 나비는 겨울이 되면 따뜻한 멕시코로 이동을 하여 산속의 전나무에서 떼를 지어 붙어서 겨울을 난다. 그러다가 봄이 오면 북쪽으로 이동을 시작하여 도중에 밀크위드(milkweed)라는 식물을 발견하면 거기서 산란하고는 수명을 끝낸다. 이어서 그 알은 새로운 나비로 부화하여 다시 북쪽으로 이동을 계속하다가 또다시 산란을 한다. 나비는 이렇게 세대 교체하기를 몇 차례 계속하여 이윽고 캐나다까지 이른다. 가을이 되어 꽃의 꿀들이 마르게 되면 모나크 나비는 이번에는 남쪽으로 이동을 한다. 그처럼 연약한 날개로 어떻게 미국 대륙을 건너 멕시코까지 이를 수 있는지, 한 번도 가 본적이 없는 고향을 어떻게 알고 정확하게 찾아가는지, 멕시코 산속이 최종 목적지라는 것을 어떻게 아는지 모든 것이 신비로 남아 있다. 만일 우리가 나비의 이런 신비를 밝혀 낼 수만 있다면 그 원리를 이용하여 새로운 차원의 비행기를 만들 수 있을 것이다. 우리는 나비의 비행술에서도 창조주 하나님의 지혜를 엿볼 수 있다.

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