조선대 정영달 교수, 지느러미 강성만 바꿔도 추진력 달라지는 원리 규명… 차세대 수중 로봇 기술 앞당긴다

지느러미의 ‘강성·위상·와류 구조’가 추진 성능 좌우… 유연 지느러미가 강체보다 효율 높은 구간도 확인

조선대학교 정영달 교수가 물고기처럼 휘어지는 유연 지느러미가 특정 조건에서 오히려 강체 지느러미보다 높은 추진력을 낼 수 있다는 원리를 규명했다. 이번 연구는 지느러미가 외부 장치에 고정되지 않은 상태에서 위아래로 회전하는 ‘순수 피칭(pure pitching)’ 운동을 수행할 때 나타나는 움직임을 과학적으로 분석한 것으로, 지느러미의 구조와 물속 소용돌이의 생성 방식이 추진 성능을 어떻게 좌우하는지를 실험적으로 밝혀냈다.

연구는 지느러미 앞부분과 끝부분이 흔들리는 타이밍이 달라지는 ‘위상 차이’가 추진 성능 차이의 핵심 요인임을 확인하면서 출발했다. 지느러미가 움직이는 과정에서 생성되는 소용돌이(와류)의 분포와 구조가 물속에서 앞으로 나아가거나 한쪽으로 기울거나 뒤로 밀리는 움직임을 결정한다는 점도 규명되었다. 정 교수는 지느러미의 길이를 따라 강성을 다르게 적용하는 ‘비균일 강성’ 구조를 실험에 도입했으며, 끝부분을 더 유연하게 구성할수록 흔들림 폭이 커지고 앞뒤 움직임의 위상이 자연스럽게 맞춰지면서 추진력이 강화된다는 사실을 확인했다. 이 구간에서는 유연 지느러미가 강체 지느러미보다 더 높은 효율을 발휘하는 사례도 관찰됐다.

연구는 물속 흐름의 세기(Re, 레이놀즈수)에 따라서도 최적 지느러미 구조가 달라진다는 점을 일관된 실험 결과로 제시했다. 느린 흐름 또는 중간 흐름에서는 비균일 강성을 가진 유연 지느러미가 가장 효율적이었지만, 빠른 흐름에서는 오히려 강체 지느러미가 더 좋은 성능을 보였다. 정 교수는 이를 지느러미 구조가 특정 흐름 조건에서 갑자기 성능이 역전되는 ‘전환점’을 갖는 것으로 설명하며, 실제 수중 로봇을 설계할 때 작동 환경을 고려해 강성 분포를 설계해야 한다는 명확한 기준을 마련했다고 강조했다.

이번 연구는 물고기의 추진 원리를 기계적 관점에서 정밀 분석한 첫 사례라는 점에서 학술적 의의가 크다. 동시에 에너지 소비를 최소화하면서 오랫동안 운용할 수 있는 차세대 수중 로봇 개발에 즉시 적용할 수 있는 실용 연구라는 점에서도 중요한 의미를 갖는다. 수중드론, 탐사장비, 관찰 로봇 등 다양한 수중 장비의 에너지 효율을 높이는 기술적 기반이 될 수 있어 산업적 기대도 커지고 있다. 연구는 유체역학 분야 국제 저명 학술지 Physics of Fluids 2025년 10월호에 게재되며 그 우수성을 인정받았다.

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