상어 피부 연구, 항공기와 보트 효율성 향상에 대한 통찰력을 제공

도쿄 공과대학의 연구자들이 대백상어가 저항을 어떻게 줄이는지에 대한 세부 사항을 밝혀냈는데, 이는 항공기와 보트 디자인의 발전을 이끌어낼 수 있습니다. 그들의 연구는 상어의 독특한 피부 구조인 피부 치아가 여러 속도로 수영하는 상어의 마찰을 최소화하는 데 핵심 역할을 한다는 것을 살펴봅니다.

대백상어의 피부는 물 속에서 효율적으로 움직이는 데 도움을 주는 미세한 이빨 같은 구조물로 덮여 있습니다. 이러한 치아는 모양, 크기, 간격이 다양하여 상어가 사냥하면서 고속을 유지하고, 최소한의 에너지 소모로 장거리를 순항할 수 있게 해줍니다.

과거의 연구에서는 상어의 이빨돌기를 참고하여 소형의 단방향 릿지(riblets)를 개발하여 항공기와 요트에 적용하였습니다. 그러나 도쿄 공과대학의 뉴스 보고서에 따르면 상어의 몸 전체에 걸쳐 이빨돌기의 형태, 크기, 간격이 다양하기 때문에 이해하는 데 어려움이 있습니다. 이러한 변화는 이 요소들이 모두 어떻게 합쳐져서 저항 감소에 영향을 미치는지 완전히 이해하는 것을 어렵게 만듭니다.

이 새로운 연구는 이러한 이빨돌기 위의 서로 다른 릿지 높이가 어떻게 저항 감소에 기여하는지를 강조하고 있습니다. 높은 중앙 릿지는 특히 느린 속도에서 효과적으로 작용하여 효율적인 순항을 돕습니다, 반면 낮은 측면 릿지는 빠른 속도로 사냥하는 동안 더 중요해집니다.

이 물림표들의 3D 모델을 개발함으로써, 도쿄 공과대학(Tokyo Tech) 팀은 이 릿지의 높이와 간격이 어떻게 마찰 저항을 감소시키는지 분석할 수 있었습니다. 그들의 연구 결과는 높고 낮은 릿지의 조합이 상어가 다양한 수영 속도를 효율적으로 다루게 해준다는 것을 제안합니다.

연구의 주 작성자인 하나카 히로토 부교수는 “우리의 계산 결과, 높고 낮은 물림표의 조합은 느린 수영 속도와 높은 수영 속도에 모두 적응하는 결과로 나타났으며, 이로 인해 다양한 수영 조건에 대한 견고성을 제공한다”고 설명합니다.

연구자들은 초점 X-선 CT 스캐너마이크로포커스 X-레이 CT 스캐너를 사용했습니다. 이 스캐너는 상어 이빨판의 상세한 3D 모델을 생성했습니다. 그들은 이 모델을 분석하여 이빨판의 디자인이 어떻게 마찰력 감소에 영향을 미치는지 이해하려고 노력했습니다. 이 연구는 이전 유체 역학 연구에 기반을 두고 있습니다. 이 연구에서는 상어 이빨판의 능선이 상어의 피부로부터 난류 회전체를 들어올리는데 도움이 된다는 것을 보여줬습니다. 결과적으로 마찰력이 줄어들었습니다.

타나카는 또한 “높은 능선은 낮은 수영 속도에서의 마찰력을 줄일 가능성이 높고, 높고 낮은 능선이 번갈아 나타나는 경우는 높은 수영 속도에서의 마찰력을 줄입니다. 이는 모든 수영 속도 범위를 다룹니다. 우리의 계산 방법은 멸종한 종을 포함한 다른 상어에도 적용될 수 있습니다.”라고 덧붙였습니다.

이 연구는 현대 상어의 효율성을 강조하는 것뿐만 아니라 엔지니어링 분야에서의 혁신 가능성을 열어줍니다. 상어에서 발견되는 이빨 구조를 모방함으로써, 엔지니어들은 항공기와 보트에 대한 리블릿을 설계하여 저항을 줄이고 성능을 향상시킬 수 있습니다. 이것은 상어가 최적의 수영 효율을 달성하는 방식과 매우 유사합니다.