잠자리 자유낙하 중 자기복원 메커니즘이 공기역학에 주는 교훈

길쭉한 몸체, 엄청난 날개폭, 무지개빛 색채로 잠자리는 독특한 광경이다. 하지만 그들의 독창성은 외모에서 끝나지 않는다: 지구에서 가장 오래된 곤충 종 중 하나로서 그들은 공중 비행의 초기 혁신자다.

이제 코넬 대학교 공과대학 기계항공공학과 제인 왕(Jane Wang) 교수팀이 잠자리가 떨어지면서 스스로를 바로잡게 하는 복잡한 물리학과 신경 제어를 풀어냈다.

연구는 잠자리의 눈 — 다섯 개 모두 — 에서 시작해 근육과 날개 피치로 이어지는 메커니즘 연쇄를 드러낸다.

팀의 논문 '잠자리 자기복원 반사의 회복 메커니즘(Recovery Mechanisms in the Dragonfly Righting Reflex)'은 5월 12일 사이언스(Science)에 게재됐다. 왕 교수는 제임스 멜피(James Melfi) 박사와 버지니아 주 애쉬번 하워드 휴즈 의학연구소(HHMI)의 안토니오 레오나르도(Anthony Leonardo)와 공동 저술했다.

20년간 왕 교수는 곤충 비행 역학을 이해하기 위해 복잡한 수학적 모델링을 사용해왔다. 왕에게 물리는 유전학만큼이나 살아있는 유기체의 진화를 설명하는 데 중요하다.

"곤충은 가장 풍부한 종이고 공중 비행을 처음 발견한 종입니다. 잠자리는 가장 고대 곤충 중 일부죠."라고 왕은 말했다. "그들이 공중에서 어떻게 스스로를 바로잡는지 보면 비행 기원과 동물이 공중에서 균형 잡고 공간을 탐색하는 신경회로를 어떻게 진화시켰는지에 대한 통찰을 얻을 수 있습니다. 그들의 궤적은 복잡하고 예측불가합니다. 잠자리는 뚜렷한 방향 없이 끊임없이 기동합니다. 신비롭습니다."

이 비행 역학과 이를 지배하는 내부 알고리즘을 연구하기 위해 팀은 잠자리를 자기 테더(magnetic tether)에서 거꾸로 떨어뜨리는 통제된 행동 실험을 설계했다 — 1800년대 유명한 떨어지는 고양이 실험과 비슷한 전제로, 특정 '하드와이어드 반사(hardwired reflexes)'가 고양이가 발로 착지하게 만드는 걸 보여줬다. 다리를 접촉시키지 않고 잠자리를 조심스럽게 놓아주니, 곤충의 당혹스러운 기동이 실제로는 동일한 동작 패턴을 따랐고, 연구자들은 초당 4,000프레임으로 촬영하는 세 대 고속 카메라로 포착할 수 있었다. 마커를 잠자리 날개와 몸에 붙이고 3D 추적 소프트웨어로 동작을 재구성했다.

연구자들은 날개-공기 상호작용의 불안정 공기역학부터 잠자리 몸이 날개 퍼덕임에 반응하는 방식까지 수많은 요소를 고려해야 했다. 모든 지구 생명체가 결국 직면해야 하는 까다로운 힘, 중력도 있다.

왕과 멜피는 잠자리의 곡예 비행을 성공적으로 시뮬레이션하는 계산 모델을 만들 수 있었다. 하지만 한 가지 핵심 의문이 남았다: 잠자리는 어떻게 자신이 떨어지고 있는지 알아서 궤적을 교정할까?

왕은 인간이 관성 감각을 가진 것과 달리 잠자리는 두 시각 시스템 — 한 쌍의 큰 겹눈과 세 개의 홑눈(ocelli) — 에 의존해 자신의 직립 상태를 가늠할 수 있음을 깨달았다.

그녀는 잠자리 눈에 페인트로 차단하고 실험을 반복해 이론을 검증했다. 이때 잠자리는 공중 회복에 훨씬 더 어려움을 겪었다.

"이 실험들은 시각이 잠자리 자기복원 반사를 개시하는 최초이자 지배적 경로임을 시사합니다."라고 왕은 말했다.

그 시각 신호는 잠자리의 네 날개로 신경 신호를 보내는 일련의 반사를 촉발하는데, 네 날개는 왼쪽과 오른쪽 날개 피치 비대칭을 적절히 조절하는 직근 세트에 의해 구동된다. 세네 번 날개짓으로 텀블링하는 잠자리가 180도 회전해 바른 자세로 비행을 재개한다. 전체 과정은 약 200밀리초 걸린다.

"어려웠던 건 실험 데이터에서 핵심 제어 전략을 알아내는 것이었습니다."라고 왕은 말했다. "작은 피치 비대칭이 관찰된 회전으로 이어지는 메커니즘을 이해하는 데 아주 오랜 시간이 걸렸습니다. 핵심 비대칭은 많은 다른 변화들 속에 숨겨져 있습니다."

운동학적 분석, 물리적 모델링, 3D 비행 시뮬레이션의 결합으로 연구자들은 동물의 관찰된 행동과 이를 제어하는 내부 절차 간 결정적 연결을 비침습적으로 추론할 수 있게 됐다. 이런 통찰은 소형 비행 기계와 로봇 성능 개선을 원하는 엔지니어들도 활용할 수 있다.

"수십~수백 밀리초 타임스케일의 비행 제어는 엔지니어링하기 어렵습니다."라고 왕은 말했다. "작은 날개짓 기계들은 이제 이착륙과 선회는 가능하지만 공중에 머무르는 데 여전히 어려움이 있습니다. 기울면 교정하기 어렵죠. 동물이 해야 할 일 중 하나가 정확히 이런 종류의 문제를 푸는 것입니다."