가볍고 충격에 강한 잠자리 날개에서 영감을 얻은 항공기 날개

(About once a second wings of foraging insects collide with small obstacles such as flowers, leaves or branches during flight without suffering major long-term damage. Credit: Stanislav Gorb)

(Three structural design elements of the wing structure ensure that collisions and wind forces cannot harm insects during their flight: flexible joints, mechanical stoppers and buckling zones. Credit: Hamed Rajabi)

(The scientists also applied the design strategies of the insect wings, (1) flexible joints, (2) buckling zones and (3) mechanical stoppers to an aircraft model. Credit: Ali Khaheshi)

(The model was 3D printed with a size of 8 x 5 x 1.1 cm and a weight of 3.8 g and put to both collision and free fall tests. Credit: Ali Khaheshi)

곤충의 날개는 곤충 전체 무게의 수 %에 지나지 않을 정도로 가볍습니다. 하지만 그럼에도 강한 바람과 충격에도 부서지지 않습니다. 꽃과 꽃 사이를 움직이면서 먹이를 수집하는 꿀벌은 하루에도 여러 번 날개를 부딪힐 수밖에 없지만, 날개가 심하게 손상된 경우를 보기는 어렵습니다. 잠자리처럼 큰 날개를 지닌 경우에도 마찬가지입니다.

알리 카헤쉬(Ali Khaheshi)가 이끄는 독일 킬 대학의 과학자들은 잠자리 날개를 모방해 가볍지만, 매우 튼튼하고 충격에 강한 날개를 디자인했습니다. 연구팀에 따르면 잠자리 날개를 포함한 곤충 날개가 극도의 내구성을 지닐 수 있는 비결은 세 가지입니다.

(1) 쉽게 구부러지는 유연한 관절 (flexible joints)

(2) 충격 흡수 구역 (buckling zones)

(3) 기계식 스토퍼 (mechanical stoppers, 축 또는 관절이 이탈하지 않게 막아주는 장치)

물론 가볍고 튼튼한 날개 소재는 기본이지만, 그 외에도 충격에서 날개가 부서지는 것을 방지하는 여러 가지 기계적 장치가 있는 셈입니다. 연구팀은 PLA / PLH 필라멘트를 3D 프린터로 출력해 8 x 5 x 1.1 cm 크기의 비행기 모형을 만들었습니다. 이 모델의 무게는 3.8g에 불과합니다. 충격 및 낙하 테스트 결과 잠자리 곤충 날개를 모방한 3D 모델이 실제로 충격에 매우 강한 것으로 나타났습니다.

(동영상)

이런 날개 디자인은 충돌 가능성이 높은 소형 드론에서 매우 유용할 것으로 생각됩니다. 다른 한편으로는 자연 선택에 의해 이렇게 효율적이고 합리적인 디자인이 나올 수 있다는데 다시 한 번 놀라지 않을 수 없습니다.

참고

https://phys.org/news/2021-03-insect-wings-collisions.html

Ali Khaheshi et al. Triple Stiffness: A Bioinspired Strategy to Combine Load‐Bearing, Durability, and Impact‐Resistance, Advanced Science (2021). DOI: 10.1002/advs.202004338

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