나비 날개는 센서와 방열 등 '통합 시스템'..."미래 유기 비행날개 영감"

나비의 날개는 지금까지 하늘을 나는 데 필요한 감각이 없는 기관으로만 알려졌다. 하지만 최근 연구 결과 나비의 날개는 센서와 방열 등 다양한 기능을 가진 통합 시스템으로 판명됐다.

컬럼비아대학과 하버드대학 공동 연구팀이 살아있는 작은멋쟁이나비(Vanessa cardui)와 부전나비과(Lycaenidae) 나비 2종의 날개의 구조를 연구한 결과, 나비의 날개에 살아있는 세포에서 형성된 감각기관이 존재하는 것으로 확인됐다.

연구팀은 나비가 날개의 살아있는 부분을 보호하기 위해 특별한 행동과 날개 비늘을 가지고 있다는 것을 발견했다. 또한 나비의 날개는 시각을 사용하지 않더라도 태양의 강도와 방향을 정확하게 감지할 수 있었다

연구 결과는 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)에 논문명 ‘살아있는 나비의 과열을 방지하기 위한 신체 행동 및 적응(Physical and behavioral adaptations to prevent overheating of the living wings of butterflies)’으로 1월 28일(현지 시각) 게재됐다.

공개한 동영상을 보면 나비가 날개를 사용해 빛의 방향을 감지하고 있는 모습을 알 수 있다. 눈을 가린 상태로 한쪽에서 빛을 비추고 접시를 돌리면 곧바로 나비가 몸의 방향을 바꾼다.

또한 감각 기관뿐만 아니라 페로몬의 생성 등 관련 있다고 추정되는 ‘후각 패드(scent pad)’와 ‘날개 심장(wing heart)’이라는 기관도 발견했다.

다음 사진은 부전나비과인 ‘파헤이지우스 엠-앨범(Parrhasius m-album)'과 '사티리움 카레예보루스(Satyrium caryaevorus)'의 ’후각 패드‘를 확대한 것이다.

수컷 나비의 날개에 있는 후각 패드는 혈구를 포함한 체액이 흐르고 있다. 후각 패드 부근에는 마치 펌프처럼 ‘날개 심장’이 분당 수십 번 뛰며 체액의 순환을 돕고 있다. 이번 발견은 나비의 날개가 불활성막이 아니라 역동적이고 살아있는 구조를 가진 기관임을 말해주고 있다.

또한 적외선 카메라를 사용해 나비의 날개의 온도 분포를 조사한 결과, 나비의 날개 생체 조직에서 열이 발산되는 것으로 확인됐다.

나비의 날개에 있는 4종류의 미세한 구조가 빠르게 열을 발산한다. 이러한 효율적인 열 발산 덕분에 나비의 날개의 살아있는 부분이 막으로만 구성된 부분보다 온도가 항상 낮은 상태가 유지되고 있는 것이다.

또한 연구팀은 나비 날개가 빛의 방향 감지와 온도 조절 행동을 확인하기 위해 날개에 레이저를 쏘고 적외선 카메라로 관찰했다. 레이저를 쏘면, 나비의 날개는 점점 가열되어 간다. 그러자 나비는 곧바로 날개가 과열되지 않도록 방향을 바꿨다.

또한 날개가 열린 상태에서 날개 부분에 레이저를 쏘면 날개털을 닫거나 뜨거워진 쪽 날개만 움직였다. 실험 나비 모두 날개 온도가 40도를 넘으면 과열을 방지 행동을 보였다.

나비의 날개에 있는 수많은 센서는 실시간 피드백을 통해 복잡한 비행 패턴을 가능케 하고 있다. 따라서 나비 날개의 살아있는 통합 구조는 미래 비행체 설계에 영감을 줄 수 있다. 즉 나비 날개처럼 통합된 감각 기계 시스템으로 설계된 비행기의 날개는 복잡한 공기역학 조건에서도 높은 성능을 발휘할 수 있다는 의미다.

김민중 기자 itnews@