박쥐 날개는 호버링 효율성을 높인다

1934년 프랑스의 곤충학자 앙투안 마냥은 땅벌은 "날 수 없어야 한다"고 썼습니다. 땅벌의 작은 날개는 이론적으로 충분한 양력을 생성할 수 없기 때문입니다. 현대의 고속 카메라 기술이 공중 곤충이 날 수 있게 해주는 것, 즉 선두 소용돌이를 밝혀냈습니다.

이 현상은 날개를 펄럭이는 선두 가장자리 주변의 공기 흐름이 소용돌이로 말려 올라가 양력을 높이는 저압 영역을 생성할 때 발생합니다.

반면, 유연한 막 날개를 가진 박쥐는 곤충만큼 잘 날 수 있고, 더 효율적이지는 않습니다. 사실, 일부 박쥐는 비슷한 크기의 나방보다 최대 40% 적은 에너지를 소모하는 것으로 밝혀졌습니다. EPFL 공과대학의 비정상 유동 진단 연구실의 연구원들은 실리콘 기반 폴리머로 만든 고도로 변형 가능한 막이 있는 실험 플랫폼을 사용하여 더 유연한 날개의 공기역학적 잠재력을 연구했습니다.

그들은 소용돌이를 만드는 대신 공기가 곡선 날개 위로 매끄럽게 흘러 더 많은 양력을 생성하고 같은 크기의 단단한 날개보다 훨씬 더 효율적이라는 것을 발견했습니다.

"이 연구의 주요 발견은 우리가 보는 양력의 증가가 선단 와류에서 오는 것이 아니라 막 날개의 매끄러운 곡률을 따르는 흐름에서 온다는 것입니다."라고 브라운 대학교의 연구자인 전 EPFL 학생 Alexander Gehrke가 말했습니다.

"날개는 휘어져 있어야 할 뿐만 아니라, 너무 유연한 날개는 다시 성능이 떨어지기 때문에 적절한 양만큼만 휘어져 있어야 합니다."

게르케는 미국 국립과학원 회보 에 게재된 연구를 설명하는 논문의 첫 번째 저자입니다.

드론 또는 에너지 수확기에 대한 설계 통찰력

연구자들은 유연한 멤브레인을 축을 중심으로 회전하는 모서리가 있는 단단한 프레임에 장착했습니다. 날개 주변의 흐름을 시각화하기 위해, 그들은 장치를 폴리스티렌 추적 입자가 섞인 물에 담갔습니다.

"저희 실험을 통해 날개의 앞뒤 각도를 간접적으로 변경하여 흐름과 어떻게 일치하는지 관찰할 수 있었습니다." Unsteady Flow Diagnostics Lab 책임자인 카렌 뮬러너스가 말했습니다. "멤브레인의 변형으로 인해 흐름이 소용돌이로 말려 올라가지 않았습니다. 오히려 날개의 곡률을 자연스럽게 따라갔고 분리되지 않아 양력이 더 생겼습니다."

게르케는 이 팀의 결과가 생물학자뿐만 아니라 엔지니어에게도 중요한 통찰력을 제공한다고 말했습니다.

"박쥐가 공중에 떠 있고 변형 가능한 막 날개를 가지고 있다는 것을 알고 있습니다. 날개 변형이 공중에 떠 있는 성능에 어떤 영향을 미치는지는 중요한 질문이지만, 살아있는 동물에 대한 실험을 하는 것은 사소한 일이 아닙니다. 단순화된 생물학적 영감을 받은 실험을 통해 자연의 비행체와 더 효율적인 항공기를 만드는 방법에 대해 배울 수 있습니다."

그는 드론이 작아짐에 따라 비행기와 같은 대형 차량보다 작은 공기 역학적 교란과 불안정한 돌풍의 영향을 더 크게 받는다고 설명합니다.

표준 쿼드로터 드론은 매우 작은 규모에서 작동을 멈추므로, 한 가지 해결책은 동물과 같은 날개 펄럭임 동작을 사용하여 이러한 비행체의 개량된 버전을 만들어 더 효율적으로 떠다니고 탑재물을 운반하는 것입니다.

팀의 연구 결과는 풍력 터빈과 같은 기존 에너지 기술을 업그레이드하거나, 해류에서 에너지를 수동적으로 활용하는 조석 수확기와 같은 새로운 시스템을 상용화하는 데 사용될 수도 있습니다.

센서와 제어 기술의 발전은 잠재적으로 인공 지능과 결합되어 유연한 멤브레인 날개의 변형을 조절하고 이러한 플라이어의 성능을 다양한 기상 조건이나 비행 임무에 적응시키는 데 필요한 정밀한 제어를 가능하게 할 수 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/01/250130135846.htm