0.5mm에 불과한 초소형 곤충이 빨리 날아다니는 비결

 

(The featherwing beetle Paratuposa placentis (left) shown at the same scale as the unicellular protist Amoeba proteus (right). Credit: Modified from Farisenkov et al. (2022))

(The setup designed and constructed by Sergey Farisenkov for high-speed recording of the free flight of microinsects under infrared LED and laser illumination using four synchronized cameras. Credit: Photo from the archive of the Department of Entomology, Faculty of Biology, Lomonosov Moscow State University)

(Three-dimensional visualization of the rotational velocity of the air flows during the flapping of the wings in the beetle Paratuposa placentis. Credit: Modified from Farisenkov et al. (2022))

(Snapshots of the beetle Paratuposa placentis in flight (top row), three-dimensional computer reconstruction of its wing movements (middle row), and visualization of the air currents (bottom row). Credit: Modified from Farisenkov et al. (2022))

(Trajectories of the tips of the wings (upstroke red, downstroke green) and elytra (blue) in the featherwing beetle Paratuposa placentis in lateral view. Credit: Modified from Farisenkov et al. (2022))

 곤충의 비행 속도는 크기와 밀접한 연관이 있습니다. 공기 저항과 흐름을 거슬러 이동하기 위해서는 강하게 공기를 밀어낼 수 있는 날개가 필요한 만큼 날개가 클수록 속도가 빨라지는 건 당연합니다. 물론 날개짓을 강하게 할 수 있는 강한 근육 역시 필수적입니다. 반대로 작은 곤충이나 생물일수록 그냥 바람을 타고 날아다니는 것이 더 유리합니다. 바람에 날려가는 새끼 거미 같은 경우가 대표적입니다. 

 그러나 1mm 되지 않는 작은 곤충 가운데서도 동력 비행을 하는 것들이 있습니다. 날아다니는 가장 작은 곤충류인 깨알벌레(Ptiliidae)과 곤충은 이름처럼 깨알처럼 작지만 바람을 타고 이동하는 대신 날개를 이용해서 비행합니다. 이것이 가능한 이유는 다른 곤충처럼 막이 아닌 깃털처럼 생긴 독특한 날개인 ptiloptery에 있습니다. 

 로모노소프 모스크바 주립 대학의 알렉세이 포릴로프 (Alexey Polilov, head of the Department of Entomology, Faculty of Biology, Lomonosov Moscow State University)가 이끄는 국제 연구팀은 큰 아메바와 비슷한 몸길이 0.5mm의 깨알벌레인 깃날개깨알벌레(featherwing beetle. 학명 Paratuposa placentis)의 날개의 공기역학적 원리를 밝혀냈습니다. 

 연구팀은 적외선 LED와 레이저 조명 아래 4개의 특수 카메라를 이용해서 깃날개깨알벌레의 날개 움직임과 주변 공기 흐름을 조사했습니다. 그 결과 깃털 한 개가 움직이는 것 같은 날개가 매우 효과적으로 공기 저항을 극복하고 공기를 밀어낼 수 있다는 사실을 확인했습니다. 

 일반적인 곤충의 막형 날개는 공기가 새는 것을 방지하긴 하지만 그만큼 날개를 앞으로 이동시킬 때 많은 저항을 발생시켜 큰 힘이 필요합니다. 더구나 크기가 작아질수록 주변의 점성이 증가해 시럽처럼 끈적끈적한 환경이 되기 때문에 더 저항이 커집니다. 

 하지만 마치 공기 중에서 노를 젓는 것 같은 깃털 날개는 끈적한 주변 공기를 충분히 뒤로 밀어내면서도 빠져나갈 구멍이 있어 점성이 많은 환경에서 저항이 적습니다. 물론 같은 크기의 막형 날개보다 가볍습니다. 깨알벌레는 이 날개를 앞뒤가 아닌 독특한 8자 모양으로 움직여 자신보다 3배 큰 곤충만큼 빠르게 움직일 수 있습니다. 상세한 내용은 영상을 보는 것이 이해가 빠를 것입니다. 

(Flying in miniature: Secrets of the featherwing beetle)

 이런 독특한 비행 방식은 곤충세계에서도 처음 밝혀지는 것입니다. 연구팀은 이 비행 방식이 깨알처럼 작지만, 능동적으로 비행할 수 있는 마이크로 로봇 개발에 도움이 될 것으로 보고 있습니다. 아무튼 상상하기 어려운 독특한 형태의 날개와 비행 방식을 지닌 곤충이 있다는 사실이 흥미롭습니다. 

 참고 

https://phys.org/news/2022-01-flight-style-smallest-beetles-excel.html

Alexey Polilov, Novel flight style and light wings boost flight performance of tiny beetles, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-021-04303-7. www.nature.com/articles/s41586-021-04303-7