로봇 물고기는 어떻게 작동할까?

생체 모사 해양 로봇을 활용해 생물학적 원리를 실험해 본 결과, 해양 생물체에 대한 의문 세 가지를 풀 수 있었다. 첫 번째 의문은 관찰된 헤엄 속도를 낼 정도로 참치가 충분한 근육을 가지지 못했다는 ‘그레이의 패러독스(Gray's paradox)’이다. 이와 같은 맥락의 두 번째 의문은 표피가 얇은 해파리가 어떻게 제트 추진 속도를 견디는가 하는 것이다. 세 번째 의문은 공중과 수면의 경계에서 움직일 추진력을 제공하는 표면장력파를 일으킬 만큼 새끼 소금쟁이가 발을 빠르게 움직일 수 없다는 ‘대니의 패러독스(Danny's paradox)’이다. 개별 조사를 통해 과학자들은 이 같은 의문에 대해 비슷한 결론에 도달했다. 참치는 정확한 빈도로 꼬리지느러미를 움직여 이전의 움직임에서 발생한 에너지를 극대화해서 포착한다. 해파리는 새로 생성된 소용돌이가 이전의 것과 충돌할 때 둥근 머리 근육을 써서 쉽게 앞으로 헤엄친다. 소금쟁이는 다리를 움직일 때 수면 아래로 소용돌이의 추진력이 발생하는데 발이 노처럼 작용하고 반월판이 노의 날개 역할을 담당한다. 이 소용돌이의 힘이 유동적인 움직임으로 변환되어 소금쟁이가 수면에서 미끄러지게 해준다.
이 모든 해양 생물이 소용돌이로부터 에너지를 얻는데, 이것은 인간이 고안한 장치에서는 보기 드문 혁신적인 작용이다. 소용돌이는 주로 물체가 공기나 물과 같은 유체를 통과하며 움직일 때 발생한다. 물고기가 꼬리지느러미를 펄럭이면 반류 속에 유체가 생성되고 그 속에 추진력을 발생시키는 소용돌이도 포함된다. 참치의 헤엄 원리를 적용한 로봇 참치는 이전 움직임이 남긴 에너지와 결합해 약화시키는 역회전 소용돌이꼴(whorl)을 형성하기 위해 때맞춰 꼬리지느러미를 움직인다. 이렇게 하면 헤엄 효과가 증대되어 그레이의 패러독스가 제시한 의문을 풀 수 있다. 프로펠러보다는 플래핑 포일(Flapping foil)이 더 효과적인데, 이는 포일의 힘이 움직이는 방향을 향해서 물고기의 몸을 따라 공간 이동 파장처럼 작용하기 때문이다. 에너지는 대부분 힘이 움직이는 방향을 향해 수직으로 전달되는 프로펠러에서 소비된다. 생체 모사 해양 로봇이 보여주는 것처럼 플래핑 포일의 추진력은 높은 기동성을 제공한다. 꼬리지느러미를 움직여 앞으로 나아가되 머리는 움직이지 않아서 해양 탐사 장치로 유용하다.
가장 흥미로운 사실은 로봇을 진짜 물고기처럼 헤엄치게 하려면 복잡한 제어 장치나 많은 기술적 요소 없이 앞뒤로 움직이는 지느러미 하나면 충분하다는 것이다. 이런 단순한 펄럭임으로 실제와 동일한 움직임을 만드는 비결은 꼬리지느러미의 소재 선택에 있다. 선택된 소재는 앞으로 나아가거나 움직이는 동안 몸체로 유체역학 에너지를 최적화해 배분할 수 있다. 먼저 꼬리지느러미가 움직여 하나의 소용돌이를 생성한다. 그러고 나서 꼬리지느러미의 움직임이 조정된다. 지느러미를 움직이는 타이밍을 설정해 반류 속으로 발생하는 소용돌이가 반대로 회전하는 소용돌이와 만난다. 마지막으로 포일이 소용돌이의 에너지를 포착한다. 이와 같은 분명한 주기가 플래핑 포일의 효율을 극대화해 앞으로 나아가게 해준다는 것이 실험을 통해 밝혀졌다.