봄 시즌이 되어 꽃들 주변에 벌들이 옹기종기 모여서 꿀을 마시는 모습이 종종 발견할 수 있습니다. 꿀과 같이 매우 점성도가 높은 액체는 빨대와 같이 압력을 주어서 마시는 것은 인간에게도 매우 힘든 일 일로 생각 되겠지만 벌들은 작은 사이즈 임에도 불구하고 높은 점성을 갖는 꿀을 어떻게 효과적으로 빠르게 흡수를 하는지 궁금하지는 않나요? 이번에는 벌들의 효과적인 Drinking 전략에 대하여 얘기를 해보려고 합니다.


동식물들은 다양한 Drinking technique을 보유하고 있습니다. 대표적으로 모기와 같은 (Moth) 들은 매우 긴 중공 형 구강 기관을 통하여 Viscous suction 으로 사람의 피부에서 피를 빨아먹으면서 생존하는 것을 알 수 있습니다. 아름답게 날개짓을 하는 벌새 (Humming bird)는 Capillary suction을 통하여 표면장력의 힘을 통하여 마시는 습관을 보여주고 있습니다.


하지만 꿀벌은 압력 차이, 표면장력을 이용하는 것이 아니라 그들이 보유하고 있는 미세한 혀를 빠르게 움직이며 표면에 코팅된 꿀을 흡수하는 방식을 사용하고 있습니다. Fig 2. 의 그림을 보면 Bee’s Galeae 내부에 숨겨진 혀가 빠르게 Nectar에 침투하고 빠른 Withdrawal을 통하여 벌꿀의 혀에 Nectar가 Loading하는 과정을 통하여 그들은 달콤할 꿀을 마실 수 있습니다.


이번에는 꿀벌의 마시는 과정과 전략을 좀 더 엄밀하게 살펴 보도록하고 꿀벌을 마시기에 특화된 구조에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

꿀벌의 Drinking 과정은 크게 두 가지로 나뉘어집니다. Fig. 3 을 보게되면 Protraction 과정(빠르게 Nectar 표면에 그들의 혀를 Dipping 하는 과정)과 Retraction (Immersion을 통하여 액체를 운송하는 과정)으로 나뉘어지는 것을 알 수 있습니다. 여기서 유심히 살펴볼 것은 Protraction 과정과 Retraction 과정에 소요되는 시간으로 볼 수 있습니다.


꿀벌이 Protraction에 소요되는 시간은 대략 30ms 수준 내외로 빠르게 진행되지만 Retraction 과정은 약 400ms 정도로 다소 지연되는 과정을 보여주고 있습니다. 꿀벌의 마시는 전략은 바로 여기에 있습니다. 우선적으로 빠른 Protraction을 필요로 하는 이유는 바로 해당 과정에 소요되는 에너지 준위가 매우 작기 때문입니다. 이를 이해하기 위해서는 꿀벌의 혀 구조를 살펴볼 필요가 있습니다.


Fig 4의 그림은 꿀벌의 혀 구조를 나타내고 있습니다. 꿀벌의 경우 Tapered 원통형의 혀 구조를 가지고 있으며 표면에 주기적인 섬모가 붙어 있는 것을 확인할 수 있습니다. 여기서 흥미로운 점은 Fig. 3 에서Protraction 과정 중 Tongue 표면 섬모는 서있지 않고 그의 혀에 딱 붙어있는 상태임을 볼 수 있습니다.

이것이 의미하는 것은 Nectar 표면에 진입할 때는 혀에 존재하는 섬모를 모두 부착하여 Hydrodynamics resistant를 최소화 하면서 매우 빠른 속도로 진입하는 것을 의미하는데 결과적으로 이에 필요한 에너지가 매우 작다는 것을 의미합니다.

따라서 해당 논문 [2-3]에서는 꿀벌이 Protraction 과정 중 최고 속도가 대략 7m/s 수준을 보여주고 있습니다. 혀의 사이즈가 대략 수 마이크로미터인 것을 고려할 때 이 정도의 속도는 정말로 빠르다는 것을 의미합니다.

하지만 이와 반대로 Retraction의 과정에서 발생되는 속도는 매우 낮은 것을 알 수 있습니다. 논문에 따르면 0.2 m/s 수준으로 Protraction 과정과 속도의 차이가 매우 크다는 것을 확인할 수 있다.
Retraction 과정이 속도가 상대적으로 느리고 오랜 시간이 걸리는 이유는 바로 벌의 혀가 Nectar의 깊숙한 곳까지 도 달 하면 신기하게도 이들 혀의 표면 섬모들이 특정 각도를 이루면서 서있게 되기 때문에 빼낼 때 필요한 저항력이 증가하기 때문입니다.

이렇게 표면 섬모를 증가시켜 낮은 속도로 인발하게 되면 상대적으로 표면에 많은 양의 꿀을 전달할 수 있게 되기 때문에 효율적으로 꿀벌을 흡수하여 생존전략을 취할 수 있는 것입니다. 따라서 벌의 Structural, Kinematics 관점에서 어떻게 벌이 효율적으로 꿀을 마시는지 기본적인 원리에 대하여 이해를 할 수 있습니다.


꿀벌의 효과적인 Drinking 전략에 담긴 내용은 Structural 과 Kinematic 한 관점 뿐만 아니라 유체역학적인 내용도 포함하고 있습니다. 이전에도 설명하였듯이 꿀벌의 마시는 전략은 딥 코팅 전략과 매우 유사합니다. Landau-Levich-Dajguine은 Dip coating에 대한 이론적인 배경을 연구하였는데 Fig. 5 처럼 원통형 Substrate를 Viscous한 액체로부터 인발하는 과정을 유체역학적으로 분석하였습니다.


간단하게 말씀드리면 Substrate 표면에 흡착되는 코팅 용액은 점성력 (Viscosity force), 중력 (Gravity force), 표면 장력 (Surface tension 혹은 Capillary force)를 포함한 총 3가지의 힘들이 평형을 이루면서 유체의 유동장을 형성하게 됩니다. 이 때 Substrate 표면에 함유되는 유체의 코팅
두께는 바로 Ca (Capillary number) 에 따라서 결정되게 됩니다.

결론부터 말씀드리자면 Ca number가 증가할수록 표면 코팅 두께가 증가하는 경향을 보이게 됩니다. 이는 Fig.5와 같은 공식으로 표현되게 됩니다. 결과적으로 표면에 코팅 되는 꿀의 양은 Capillary number가 증가할 수록 많아지게 되는데 Ca number가 바로 인발 속도와 밀접한 관련이 있음을 알 수 있습니다.

결과적으로 꿀벌의 Retraction 과정 시 인발 속도가 대략 0.2 m/s 수준임을 착안해보자면 상대적으로 매우 빠른 속도로 인발하였음을 알 수 있습니다. 물론 Protraction 과정에 비하면 상대적으로 느린 속도이지만 유체역학적인 관점에서 봤을 때 많은 양을 코팅시킬 수 있는 충분한 속도인 것입니다.

따라서 꿀벌은 꿀을 흡수하고자 이와 같은 유체역학적인 내용을 함축하고 있었으며 그 결과 많은 양의 꿀이 표면에 코팅 되는 사실을 알 수 있습니다.