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비행기가 날개를 퍼덕인다?

9월 18 업데이트됨

우리는 라이트 형제가 비행기를 만든 이후 급격한 기술의 발전을 겪으면서 하루 만에 미국, 영국, 페루는 물론이고 지구 한 바퀴를 무착륙으로 비행하는데 67시간 1분 10초 만 거리는 상황입니다. 이렇게 비행기의 기술이 발전하면서 글로벌화도 함께 진행되었습니다. 그러나 비행기의 모티브가 되었던 새나 곤충은 비행기와는 사뭇 거리가 있어 보입니다. 비행기는 엔진에서 출력을 얻고, 날개로 글라이딩 하는 형식의 비행을 합니다. 그라나 새, 곤충은 엔진을 갖는 것 보다는 날개 자체를 펄럭이며 날아갑니다. 그렇다면 비행기는 새처럼 날개 짓을 하지는 못하는 것일까요? 정령 새처럼 나는 비행기는 SF 영화에서나 등장하는 이야기일까요?

퍼덕이는 비행기, 오니솝터의 역사

과거 미술, 공학, 수학 등 모든 분야에 걸쳐서 천재적인 발상으로 사람들을 놀라게 했던 이탈리아의 위대한 천재 레오나르도 다빈치는 하늘에 대한 관심이 매우 뛰어났었어요. 다른 사람들처럼 땅에서 벗어나 하늘을 날 수 있는 다양한 방법을 모색하였기 때문에 온갖 종류의 비행기 모형을 상상을 통해 계산하며 설계도를 그렸습니다.

오니솝터 제작의 역사를 살펴보기 위해서는 처음으로 비행기를 조립한 1490년에 거슬러 가야합니다. 이때 레오나르도 다빈치는 날개를 펄럭이며 날아갈 수 있는 비행 장치를 만드는데, 이것은 그리스어로 ‘새’와 ‘날개’를 의미하는 오니솝터라는 이름을 얻게 됩니다. 레오나르도 다빈치가 설계한 오니솝터는 조종사가 발로 땅을 밀러내며 진짜 새처럼 날개를 힘차게 퍼덕여야 했다. 이후에도 많은 사람들이 새처럼 날 수 있는 방법을 고민하였지만 이렇다 할 성과를 내지 못한 채로 수백 년이 흐른 후에야 1870년대 프랑스의 알퐁스 페노가 인간의 동력이 아닌, 고무줄의 복원력을 이용한 오니솝터 모델을 개발 합니다. 그가 만들어낸 오니솝터 모델은 종이 비행기처럼 날렸을 때 약 7초 정도의 시간 동안 15m를 날아갈 수 있도록 설계가 되었습니다. 하지만 이것을 오니솝터의 발전으로 이어지기 보다는 비행기 프로펠러에 대한 고안으로 이어져 오늘날 수많은 비행기 프로펠러에 영감을 주었습니다.

그 후 1889년에는 사용 오니솝터 장난감이 등장했으며 1902년 영국의 에드워드 프로스트는 내연기관을 이용해 날갯짓을 하는 장치를 개발하여 새처럼 날아오르는 비행을 시도하게 됩니다. 하지만 안타깝게도 큰 성과를 얻지 못한 채로 실패하게 됩니다.

20세기가 되면서 프로펠러가 등장하고 오니솝터처럼 날개를 퍼덕이는 비행장치 보다 프로펠러로 동력을 얻는 글라이더 형태의 비행기에 관심을 갖기 시작합니다. 여기에는 19세기 비행의 아버지라 불리는 조지 케일리와 글라이더 비행을 제안한 이후 독일의 기술자이자 현대 항공학의 개척자인 오토릴리엔탈의 무동력 글라이터를 이용한 유인 비행에 성공하면서 비행의 패러다임을 바꾸는 데에 큰 역할을 했습니다.

결국 1903년 12월 17일 우리가 아는 역사적인 비행, 라이트 형제의 프로펠러 동력을 기반으로 한 이간이 타고 날아갈 수 있는 글라이더가 탄생하게 됩니다. 라이트 형제가 보여준 비행은 시속 10.9km의 속도로 12초 동안 37m를 날아가는 엄청난 성과를 보이게 됩니다. 이후 비행기의 기술은 계속 발전하여 20세기에 이르러서는 인간 비행의 시대가 개막합니다.

비행기는 군사, 운송, 교통의 수단으로 자리 잡으면서 점차 사람들의 관심으로부터 멀어져 갔습니다. 러나 과학자와 공학자들은 여전히 이러한 오니솝터의 개발에 관심을 가졌습니다.

퍼덕이는 비행기, 오니솝터의 역사

캐나다 토론토 대학의 우주항공연구소 소속 제임스 드라우이어는 날갯짓하는 유인 비행기 제작을 위해 그의 동료 제레미 해리스와 함께 가솔린 엔진을 탑재한 현대판 오니솝터 개발에 착수 하게됩니다. 그들 팀은 14초 동안 300m를 나는데 성공합니다. 여전히 역부족처럼 보이지만 그래도 과거에 비하면 이것은 혁명이었습니다.

Dr. James DeLaurier의 UTIAS에서의 시험 비행영상이다.

더딘 발 거름이었지만 이에 탄력을 받은 토론토 대학 우주 항공 연구소는 오로지 인간의 힘으로 날 수 있는 새로운 오니솝터 SNOWBIRD라는 프로젝트를 진행합니다. 2010년 박사과정 학생이었던 토드 레이컬트의 비행이 최초로 시행됩니다. 이것은 세계 최초로 19.3초 동안 인간의 힘만을 이용해 시속 25.6km 의 속도로 145m를 나는 오니솝터 비행에 성공하게 됩니다. 비록 처음 이륙 동력을 스스로 만들어 내지 못했지만 크게 오니솝터의 개념이 가장 잘 돋보인 비행 실험이었습니다.

Snowbird Human-Powered 오니솝터 프로젝트

그러나 이러한 연구는 예산이 많이 필요하여 공학자들은 인간이 타는 오니솝터가 아닌 드론에 오니솝터 개념을 넣기 시작합니다. 미국 국방부 고등연구계획국 DARPA의 지원을 받은 AeroVironment 사는 2006년부터 날갯짓을 하는 드론 만들기 연구에 착수하게 됩니다. 그러고 2011년 비로소 허밍버드라는 새를 모방한 드론을 선보입니다.

허밍버드 로봇

또 비슷한 시기에 Festo사에서는 바다 갈매기를 본따 만든 SmartBird 재품을 선보입니다. 이 재품은 가까이서 보지 않는 이상 진짜 갈매기라고 착각할 수 있을 정도로 새와 비슷한 움직임을 구사합니다.

SmartBird

또 다른 사례로는 하버드의 대표적인 로봇 공학자인 로버트 우드 교수는 초소형 미행 로봇을 만드는데, 그 원리는 압전효과를 이용하였습니다. 이렇듯, 압전 물질은 근육과 같은 역할을 할 수 있는 재료 가 되었습니다. 이후에는 초당 날개를 120회씩 회전 할 수 있는 비행 로봇, 로보비(RoboBee)를 만들기도 합니다.

RoboBee

이제 단순히 곤충을 넘어서 동물을 모방한 로봇 연구도 이루어지던 가운데, 2017년 사이언스 로봇 틱스에 Caltech 정순조 교수와 Urbana-Champaign 연구 팀이 함께 개발한 Batbot을 선보이게 됩니다. 그들은 실제 박쥐와 비슷한 크기의 생체 모방 로봇을 선보입니다. 이 로봇의 특징은 날개부분이 초박막 실리콘으로 되어 있어서 드론에서는 볼 수 없었던 부드러운 움직임을 보여줍니다. 한가지 아쉬운 점은 박쥐 날개를 구부릴 때 박막에 주름이 발생하여 공기역학적으로 저항이 크게 발생할 수 있습니다. 그래서 사이어스지에서 이후 실제 비둘기 깃털을 이용하여 로봇을 만들었습니다.

비둘기 로봇


인간이 수백 년 동안 해 왔었던 상상이 현실이 되었던 경우가 많습니다. 이렇듯 단지 상상에 불과 할 것이라고 생각했던 일 듯은 처음 들었을 때 어이없고 쓸데없을 것이라고 생각 하는 사람들이 많습니다. 그러나 이런 생각을 마음속에 오래 동안 담아오고 그 생각을 발전시킨 과학자들은 아직도 상상중입니다. 그리고 그들의 상상은 우리의 미래가 될 것입니다.


참고자료

[1] https://www.youtube.com/watch?v=EBodWtd3k3E

[2] https://science.sciencemag.org/content/352/6288/978

[3] https://robotics.sciencemag.org/content/5/38/eaay1246

첨부 이미지 출처

[1] https://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/drones/robot-hummingbird-is-almost-as-agile-as-the-real-thing

[2] https://usmiling.tistory.com/1037

[3] https://wyss.harvard.edu/technology/robobees-autonomous-flying-microrobots/

첨부 동영상 링크

[1] https://www.youtube.com/watch?v=pUk6I2bL7j0 [2] https://www.youtube.com/watch?v=0E77j1imdhQ [3] https://www.youtube.com/watch?v=NjN7nXVBiwk

KOSMOS PHYSICS 지식더하기

작성자│추연서

발행호│2020년 봄호

키워드#오니솝터 #곤충로봇 #비행기



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