How fish exploit vortices to save energy, and under what conditions
이 연구는 물고기가 수동적 순응과 주파수 일치가 안정적인 동조를 가능하게 하는 위상 고정된 근공진적 체부 운동을 특징으로 하는 카르만 보행을 통해, 전방 체부에 집중된 능동적 조절을 바탕으로 와류 후류를 이용해 에너지를 절약한다는 사실을 밝혀냈다.
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강과 시냇물의 거센 물살 속에서 물은 좀처럼 매끄럽게 흐르지 않는다. 물은 바위, 식물, 그리고 인공 구조물 주변을 휘감으며 돌며, 소용돌이(vortices)라고 알려진 혼란스러운 회전 패턴으로 부서진다. 수십 년 동안 과학자들은 물고기가 이러한 난류의 흔적을 통과할 때 놀라울 정도로 적은 노력만으로 헤엄칠 수 있다는 사실을 알고 있었다. 물고기들은 강한 조류에 맞서 직접 싸우기보다는 회전하는 물 사이를 누비며 자신의 위치를 유지하곤 한다. 장애물이 남긴 교차하는 소용돌이를 사이로 지나가는 이 행동은 오랫동안 매혹적인 연구 주제였다. 핵심적인 미스터리는 물고기가 이것을 할 수 있느냐가 아니라, '어떻게' 하느냐였다. 이것이 에너지를 아끼기 위해 물고기의 뇌가 내린 영리하고 능동적인 결정인가, 아니면 물리적 필연성, 즉 물의 힘이 물고기의 유연한 몸을 단순히 제어하게 된 상태인가 하는 점이었다. 이 차이를 이해하는 것은 생명체가 환경과 상호작용하는 근본적인 규칙, 즉 그들이 움직임의 주인인지 아니면 배운 대로 올라타는 흐름의 승객인지를 밝혀내는 데 중요하다.
쓰촨 대학교, 앨버타 대학교, 그리고 시안 공과 대학교의 연구팀은 물고기를 단순한 동물이 아니라 유체 역학적 힘과 상호작용하는 물리적 객체로 취급함으로써 이 수수께끼를 풀고자 했다. 그들은 통제된 흐름 탱크에서 20종의 다양한 물고기를 관찰하며, 규칙적인 소용돌이의 거리(street of spinning vortices)를 생성하는 다양한 장애물 뒤에 배치했다. 연구진은 물고기가 어떻게 움직이는지 관찰하며 꼬리의 박동 속도와 몸의 파동이 지나가는 소용돌이와 일치하는 타이밍을 측정했다. 물고기의 능동적인 선택과 물의 수동적인 물리학을 분리하기 위해, 과학자들은 결정적인 비교 실험을 수행했다. 그들은 살아있는 물고기의 움직임을 기록한 후, 물고기가 지나간 뒤에 죽은 물고기의 움직임을 기록했다. 또한, 뇌나 근육이 없어 스스로 제어할 수 없지만 물고기의 형태와 유연성을 모방한 단순한 수동 모델도 제작했다. 연구진은 이 세 그룹—살아있는 물고기, 죽은 물고기, 그리고 수동 모델—을 비교함으로써, 움직임의 어느 부분이 물에서 기인하고 어느 부분이 물고기 자체에서 기인하는지를 정확히 파악할 수 있었다.
결과에 따르면, 물고기가 소용돌이의 거리(Kármán gait)를 헤집고 다니는 이 유명한 현상은 뇌의 영리한 기술이 주된 원인이 아니었다. 대신, 이는 물의 리듬이 물고기의 몸과 일치할 때 발생하는 물리적 상태이다. 연구진은 회전하는 소용돌이가 고압 구역과 저압 구역이 교차하는 구조화된 압력 패턴을 만들어 물고기를 밀고 당긴다는 것을 발견했다. 물고기가 이 구역에 진입하면, 물은 물고기가 좌우로 흔들리고 몸을 특정 방식으로 굽히도록 강제한다. 연구는 죽은 물고기와 수동 모델이 사고하거나 능동적으로 조종할 능력이 없음에도 불구하고, 살아있는 물고기와 똑같이 이 엮임 동작을 수행한다는 것을 보여주었다. 그들은 지나가는 소용돌이에 맞춰 꼬리 박동과 몸의 파동을 동기화했다. 이는 이 행동의 핵심이 수동적인 반응임을 증명했다. 즉, 물이 몸을 구동하며, 몸이 충분히 유연하다면 단순히 최소 저항의 경로를 따르게 된다는 것이다. 살아있는 물고기는 중심을 잡기 위해 주로 머리를 사용하여 약간의 능동적인 제어를 더했지만, 몸과 꼬리의 커다란 리드미컬한 움직임은 물 자체에 의해 조직되었다.
그러나 연구진은 이 에너지 절약 상태가 모든 물고기에게 모든 상황에서 가용한 것이 아님을 발견했다. 이는 "물리적으로 제한된(physically gated)" 현상으로, 세 가지 특정 조건이 충족될 때만 열린다. 첫째, 물고기는 충분히 유연해야 한다. 연구팀은 다양한 강도의 모델을 테스트한 결과, 몸이 너무 딱딱하면 물의 리듬에 맞춰 굽힐 수 없어 이 보행(gait)이 나타나지 않는다는 것을 발견했다. 둘째, 타이밍이 맞아야 한다. 물고기의 몸이 흔들리고자 하는 자연스러운 리듬이 소용돌이가 회전하는 속도와 일치해야 한다. 물고기가 물에 비해 너무 무겁거나 가볍거나, 혹은 소용돌이가 너무 빠르거나 느리면 이 동기화는 깨진다. 셋째, 물고기의 크기가 소용돌이 거리의 크기에 적합해야 한다. 연구는 물고기의 몸 길이가 소용돌이를 만드는 장애물 너비의 약 2배에서 2.5배 정도일 때 이 보행이 가장 잘 작동함을 보여주었다. 만약 물고기가 소용돌이 사이의 간격에 비해 너무 작거나 너무 크면, 물리적 연결이 상실된다.
이러한 발견은 소용돌이의 흔적을 이용하는 능력이 어떤 물고기든 마음대로 켤 수 있는 보편적인 기술이 아님을 시사한다. 그것은 환경과 동물의 몸이 완벽하게 호환될 때만 발생하는 특정한 기계적 기회이다. 물은 힘의 템플릿, 즉 구조화된 에너지의 경로를 제공하지만, 물고기는 자신의 몸이 그 경로에 발을 맞출 수 있는 올바른 모양, 무게, 그리고 유연성을 갖추었을 때만 그 길에 올라설 수 있다. 이 통찰은 우리가 동물과 유체 세계의 상호작용을 바라보는 관점을 변화시킨다. 그것은 단순히 동물이 조류와 싸우는 것도, 조류가 동물을 끌고 가는 것도 아니다. 그것은 두 존재가 하나의 효율적인 시스템이 되는 정밀한 물리적 공명에 관한 것이다. 수중 로봇을 설계하는 엔지니어들에게 이는 명확한 청사진을 제공한다. 강이나 바다의 파도를 탈 수 있는 기계를 만들고자 한다면, 단순히 유연하게 만드는 것만으로는 부족하다. 기계의 강성, 무게, 그리고 크기를 마주하게 될 물의 특정 리듬에 맞춰 조정해야 한다. 물고기는 에너지를 아끼기 위해 천재가 될 필요가 없다. 그저 자신이 헤엄치는 물에 적합한 종류의 객체이기만 하면 된다.
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