자세 균형 잡으러 지느러미 연신 움직여
짧고 뚱뚱하거나, 지느러미 뒤에 있으면 유리
복잡한 지형 탐색하는 수중 로봇 개발에 도움

미국 캘리포니아주 산 클레멘테 섬의 바위 둥지 위를 맴돌며 가슴지느러미를 움직여 한 자리에 정지한 가리발디 자리돔(Hypsypops rubicundus)./미 스크립스 해양연구소

다이버들은 산호초에서 움직이지 않고 떠 있는 열대어들을 보며 부러움을 느낀다. 인간은 산소탱크에 납 주머니까지 잔뜩 달고서야 겨우 헤엄치는데 물고기는 아무 힘도 들이지 않고 정지한 채 쉬고 있으니 말이다. 공중에서 정지한 채로 꿀을 빨던 벌새의 바다 버전이다.

진실은 정반대였다. 미국 샌디에이고 캘리포니아대(UCSD) 스크립스 해양연구소 과학자들은 “바다에서 수중정지(hovering)한 물고기들은 사실 쉬고 있을 때보다 에너지를 더 많이 쓴다”고 8일 밝혔다. 연구 결과는 이날 국제 학술지 ‘미국립과학원회보(PNAS)’에 실렸다.

◇자세 균형 잡으려 에너지 소모 커

물고기는 공기주머니인 부레를 갖고 있다. 부레에 공기를 집어넣어 부풀리면 부력(浮力)이 생겨 위로 뜨고 수축하면 가라앉는다. 발렌티나 디 산토(Valentina Di Santo) UCSD 교수 연구진은 부레를 가진 물고기 13종(種)이 물에 떠 있거나 이동할 때, 움직이지 않고 쉴 때 산소 소비량을 기록했다. 수중정지했을 때는 고속 카메라로 지느러미의 움직임을 촬영했다.

디 산토 교수는 “지금까지 생각과 달리 물고기가 수중정지할 때 휴식 상태보다 에너지가 약 2배 소모되는 것으로 나타났다”고 말했다. 수중정지할 때 지느러미가 물결에 따라 자연스럽게 움직인 게 아니라 힘껏 젓고 있었던 셈이다.

연구진은 물고기가 수중정지하는 것은 사람이 자전거 위에서 균형을 잡으려 하는 것과 비슷하다고 설명했다. 물고기는 부레로 부력을 발생시키지만, 질량 중심과 부력 중심이 완벽하게 일치하지 않아 자세가 불안정해진다. 물고기는 기울어지거나 구르지 않도록 지느러미를 저어 위치를 조절한다.

꿀을 빨기 위해 꽃 앞에서 정지한 벌새. 1초에 80번씩 날개를 저어 공중정지할 수 있는 양력을 얻는다./UNC

이 점에서 물고기의 수중정지는 새의 공중정지와 다르다. 새는 날개를 빠르게 아래로 밀어 상승하는 양력을 발생시킨다. 공중정지의 상징인 벌새는 1초당 80번까지 날개를 젓는 것으로 알려졌다. 물고기는 부레로 수중 양력인 부력은 쉽게 만들지만, 자세를 유지하려고 지느러미를 쉴 새 없이 움직인다는 말이다.

연구진은 질량 중심과 부력 중심 사이의 간격이 큰 어종일수록 수중정지에 더 많은 에너지를 쓴다고 밝혔다. 또 물고기 형태나 지느러미 위치도 수중정지 효율에 영향을 미쳤다. 가슴지느러미가 몸통 뒤쪽에 있어야 수중정지에서 에너지를 덜 사용했다. 디 산토 교수는 작은 힘으로 큰 물체를 움직이는 지렛대 효과가 더 커졌기 때문이라고 설명했다.

◇서식지 따라 수중 정지 효율성 달라

몸통 형태도 수중정지에 영향을 줬다. 달팽이 껍질에 사는 민물고기인 시클리드(학명 Lamprologus ocellatus)나 자이언트 다니오(Devario aequipinnatus)처럼 길고 날씬한 물고기는 수중정지 효율이 낮았고, 금붕어(Carassius auratus)나 복어(Dichotomyctere ocellatus)처럼 짧고 가로가 깊은 물고기들이 더 나았다.

연구진은 물고기마다 수중정지 효율이 제각각인 것은 서식 환경이 다르기 때문이라고 설명했다. 산호초처럼 복잡한 서식지를 탐색하려면 수중정지 능력이 필수적이다. 산호초에 사는 삼각형 모양 물고기인 깃털제비활치(Plata teira)나 바다금붕어로 불리는 가리발디 자리돔(Hypsypops rubicundus) 같은 열대어들이 수중정지에 뛰어난 것도 이 때문이다. 날씬한 물고기는 수중정지를 그다지 못하지만, 대신 기동력은 뛰어나다. 이들은 트인 환경에서 산다.

팔라우의 바다에서 한 곳에 정지한 열대어 깃털제비활치(Platax teira). 수중정지는 몸이 긴 물고기보다 세로가 짧고 가로로 긴 물고기가 더 잘한다./미 스크립스 해양연구소

연구진은 물고기의 수중정지 능력을 밝히면 수중 로봇이나 잠수정 설계에 도움을 줄 수 있다고 밝혔다. 산호초나 난파선처럼 복잡한 환경에서 탐색하는 수중 로봇은 수중정지 능력이 필요하다. 이런 경우 금붕어 모양이 더 유리하다. 반대로 기동력이 필요한 잠수함이 길쭉한 모양인 것도 같은 맥락에서 벌 수 있다.

연구진은 수중정지 능력을 높이려면 일단 물고기처럼 불안전성을 유발해야 한다고 설명했다. 그 뒤에 지느러미 같은 자세 제어 시스템을 보강해야 한다는 것이다. 디 산토 교수는 “좁은 공간에서 기동하는 수중 로봇을 원한다면 물고기의 불안전성을 고려해 설계한 다음 동적 안정성을 유지할 시스템을 추가해야 한다”고 말했다.

참고 자료

PNAS(2025), DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2420015122

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