Energy savings and wake dynamics are conducive to position and flapping phase adaptation in bird formation flight
자율 비행 날갯짓 비행체의 고충실도 시뮬레이션을 통해, 본 연구는 새들이 리더의 후류에 맞춰 날갯짓을 동기화하고 약 한 날개 길이만큼 하류에 위치함으로써 다운스트로크(downstroke) 동안의 업워시(upwash)를 활용하여 대형 비행 시 최대 13.7%의 에너지 절감을 달 뿐만 아니라, 이러한 이점이 복잡한 다체 역학보다는 쌍체 상호작용에 의해 주로 발생한다는 것을 입증한다.
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번식이나 먹이 활동을 위해 수천 마일을 이동하는 새들은 끊임없는 물리적 도전에 직면합니다. 바로 자신들을 느리게 만드는 공기 저항과 이를 극복하기 위해 필요한 에너지입니다. 이러한 긴 여정에서 살아남기 위해, 많은 종은 줄이나 V자 형태로 배열되어 조직적인 무리를 지어 비행합니다. 과학자들은 수십 년 동안 이러한 대형 비행이 에너지를 절약해 준다는 사실을 알고 있었지만, 그 정확한 메커니즘이 어떻게 작동하는지는 다소 미스터리로 남아 있었습니다. 이 이점은 앞선 새가 남긴 기류에서 비롯됩니다. 새가 날개를 퍼덕일 때, 새는 몸을 들어 올리기 위해 공기를 아래로 밀어내며, 이 동작은 새의 뒤로 이어지는 소용돌이 형태의 공기 튜브, 즉 와류(vortices)를 생성합니다. 이 소용돌이치는 튜브의 측면에서는 공기가 위로 상승합니다. 뒤따르는 새는 이 상승하는 공기 속에 위치할 수 있으며, 이는 결과적으로 새에게 공짜 양력을 제공하여 스스로 날개를 퍼덕여야 하는 노력을 줄여줍니다. 그러나 날개짓은 일정한 흐름이 아닌 끊임없이 변화하고 물결치는 공기의 흐름을 만들기 때문에, 상승하는 공기를 포착하기 위해 정확히 어디에서 언제 날개짓을 해야 하는지 파악하는 것은 까다로운 일이었습니다.
벨기에 UCLouvain의 연구팀은 이제 첨단 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 이러한 보이지 않는 기류를 지도화하고, 새들이 에너지를 극대화하기 위해 따르는 정밀한 규칙을 결정했습니다. 심박수 측정기나 GPS 추적기처럼 에너지 사용량을 추측하는 방식 대신, 연구팀은 대형 이동성 조류인 검은머리뜸부기(Northern Bald Ibis)의 상세한 디지털 모델을 구축했습니다. 연구팀은 새의 골격, 깃털, 그리고 날개 주변에서 소용돌이치는 공기의 복잡한 물리학을 시뮬레이션했습니다. 수천 번의 시뮬레이션을 실행함으로써, 연구팀은 가상의 '추종자' 새가 '선도자' 새에 대해 서로 다른 위치와 날개짓 리듬을 시도하게 했으며, 그 과정에서 공기 흐름이 어떻게 변하고 추종자가 얼마나 많은 에너지를 절약하는지 관찰했습니다.
연구 결과, 에너지 절약의 비결은 매우 구체적인 타이밍과 위치의 조화에 있음이 밝혀졌으나, 연구진은 이를 '춤'이라고 부르는 것은 피했습니다. 연구진은 추종자 새가 선도자의 약 한 날개 길이 뒤쪽, 그리고 옆으로 약간 떨어진 약 0.9배의 날개 길이 거리에서 비행할 때 가장 많은 에너지(최대 13.7%)를 절약한다는 것을 발견했습니다. 결정적으로, 추종자 새는 선도자의 날개가 상승 기류를 만들어내는 특정 순간에 맞춰 자신의 날개짓을 동기화해야 합니다. 시뮬레이션에 따르면, 추종자 새는 선도자의 하강 날개짓 와류가 지나가는 순간에 자신의 하강 날개짓(가장 많은 양력을 생성하는 부분)을 맞추어야 합니다. 추종자의 날개가 공기를 가장 강하게 밀어내는 바로 그 순간에 가장 강력한 상승 압력을 받게 되면, 양력 벡터가 앞쪽으로 기울어지며 작은 추진력의 부스트 역할을 하게 됩니다. 이러한 정렬을 통해 새는 더 적은 노력으로 더 많은 양력을 얻을 수 있습니다.
하지만 연구진은 왜 새들이 비행기처럼 길게 늘어선 줄 형태로 비행하지 않는지도 발견했습니다. 날개짓을 하는 새가 남기는 소용돌이치는 공기 흐에는 안정적이지 않고, 새로부터 멀어질수록 뒤틀리고 변형되며 퍼져 나갑니다. 시뮬레이션 결과, 새들 사이의 거리가 멀어질수록 이러한 공기 흐름은 구조적 선명함을 잃는 것으로 나타났습니다. 추종자를 돕는 상승 기류는 약해지고 덜 조직적이 되며, 추종자가 유익한 밀어올림을 포착할 수 있는 시간적 창(window of time) 또한 줄어듭니다. 고정익 항공기는 매우 긴 거리에서도 공기 흐름을 이용할 수 있지만, 날개짓하는 날개의 불안정한 특성 때문에 에너지 이점은 빠르게 사라집니다. 이 연구는 새들이 촘로한 대형을 유지하는 이유가 유익한 공기 흐름이 충분히 멀리까지 지속되지 않기 때문임을 시사합니다.
연구진이 시뮬레이션을 더 큰 규모의 새 무리로 확장했을 때, 이점은 주로 새와 바로 앞에 있는 새 사이의 관계에 의해 결정된다는 것을 발견했습니다. 무리의 중간에 있는 새는 사방에서 도움을 주는 기류에 둘러싸여 있는 것처럼 보일 수 있지만, 멀리 떨어진 새들로부터 오는 공기는 상쇄되거나 너무 약해져서 별 의미가 없게 됩니다. 가장 중요한 저축은 바로 직전의 개체로부터 옵니다. 흥미롭게도, 대형의 맨 앞에 있는 새 또한 뒤따르는 새들이 만들어내는 약간의 상승 기류 덕분에 작은 이득을 얻습니다. 이는 V자 대형의 선도자조차 완전히 혜택을 받지 못하는 것은 아님을 설명해 줍니다. 연구는 관찰된 정밀한 간격과 타이밍이 무작위적인 사회적 행동이 아니라, 정교하게 조정된 물리적 전략임을 결론짓습니다. 이웃이 만들어낸 특정한 찰나의 상승 기류에 날개를 맞춤으로써, 새들은 날개짓 비행의 혼란스러운 난류를 장거리 여행을 위한 매우 효율적인 시스템으로 탈바꿈시킵니다.
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