크레 점프 착지 생체역학: 수직면에 내려앉으면 충격이 5분의 1로 줄어드는 이유

크레(크레스티드 게코, 학명 Correlophus ciliatus)는 나뭇가지 사이를 뛰어다니는 동물이에요. 발가락과 꼬리 끝의 접착판 덕분에 매끈한 표면에도 잘 달라붙는다는 건 잘 알려져 있는데, 그렇다면 점프해서 착지하는 순간에는 어떤 일이 벌어질까요? 미국 캘리포니아대(리버사이드)와 독일 프라이부르크대 공동 연구팀(Timothy E. Higham, Mara N. S. Hofmann, Michelle Modert, Marc Thielen, Thomas Speck)이 착지면의 기울기(수평·45도·수직)를 바꿔가며 크레의 착지 충격과 몸놀림을 고속카메라로 분석한 논문을 학술지 Scientific Reports에 2021년 발표했어요. 이 글에서 그 내용을 자세히 풀어드릴게요.

실험은 이렇게 했다: 수컷 4마리, 세 가지 착지면

연구팀은 애완용으로 유통되던 수컷 크레 4마리(몸무게 35.9-49.2g, 주둥이부터 항문까지 길이 11.37-12.74cm)를 대상으로 실험했어요. 개체마다 세 가지 착지면(수평 0도, 45도로 기울인 면, 수직 90도 면)에 각각 3번씩 점프시켜서, 개체당 총 9번, 전체 36번의 점프를 촬영했어요. 착지면은 나무판에 플라스틱 코팅 종이를 씌운 판이었고, 접착이 최대로 작용하도록 아주 매끄럽게 만들었어요(검은색은 영상에서 몸이 잘 구분되도록 고른 색이에요). 도약대는 매끄러운 유리판이었고, 점프마다 두 판 모두 에탄올로 닦아서 조건을 맞췄어요. 초당 2000프레임(2000fps)으로 찍은 고속영상에서 주둥이·배·꼬리 밑동, 이렇게 세 지점의 좌표를 프레임마다 추적해서 속도·가속도·몸의 휘어진 정도(곡률)를 계산했어요.

먼저 짚고 넘어갈 점은 표본 크기예요. 이 실험은 수컷 개체 4마리만으로 진행됐어요. 개체별로 3번씩 반복한 점프를 평균 내서 통계를 낸 점(같은 개체를 여러 번 센 것처럼 착시를 일으키는 걸 막는 절차예요), 개체 간 차이가 유의미하지 않으면 통계 모델에서 제외한 점 등 방법론적으로는 신경을 썼지만, 그래도 4마리는 매우 작은 표본이에요. 암컷은 아예 포함되지 않았고요. 그러니 아래 결과는 “크레라는 종이 일반적으로 이렇게 행동한다”고 단정하기보다는, “적어도 이 네 마리는 이렇게 착지했다”는 첫 관찰 결과로 받아들이는 게 정확해요.

몸이 공중에서 자세를 안 바꾼다: 그런데도 몸이 닿는 부위는 착지면마다 달랐다

크레는 도약대를 박차고 나가는 순간 뒷다리를 완전히 펴면서 동시에 앞다리를 앞으로 쭉 뻗는 이른바 “스카이다이빙 자세”를 취했어요. 흥미로운 건, 착지면이 수평이든 45도든 수직이든 도약 순간의 몸 각도도, 공중에 떠 있는 동안의 회전량도 착지면 기울기에 따라 유의하게 달라지지 않았다는 점이에요. 연구팀은 비행 구간 전체에 걸쳐 회전을 측정했는데도 그랬어요.

다만 아무것도 안 바뀐 건 아니에요. 도약 속도는 착지면이 수평일 때(평균 1.75 m/s)가 수직일 때(1.41 m/s)나 45도일 때(1.44 m/s)보다 유의하게 빨랐어요. 그러니까 크레는 어디에 내려앉을지에 따라 뛰는 세기는 달리했지만, 몸을 어떤 자세로 던질지는 바꾸지 않은 셈이에요. 논문은 이걸 두고 하나의 전략이 여러 착지 조건에 두루 통한다고 표현했어요.

그런데도 몸의 어느 부위가 먼저 닿는지는 착지면마다 뚜렷하게 달랐어요.

• 수평면: 배(58%)와 뒷다리(33%)가 먼저 닿는 경우가 대부분이었어요.
• 45도 경사면: 앞다리(75%)가 가장 먼저 닿았어요.
• 수직면: 주둥이(67%)가 가장 먼저 닿았어요.

착지 각도(주둥이 끝과 눈 아래쪽을 잇는 선이 수평면과 이루는 각도) 자체는 세 조건 사이에 통계적으로 차이가 없었어요(수평 30.2도, 45도 경사 26.8도, 수직 35.0도, p=0.52). 세 조건 모두 양의 값, 즉 주둥이가 살짝 위를 향한 채로 착지했다는 뜻이에요.

핵심 결과: 몸통 곡률이 크고 착지 시간이 길수록 충격이 작았다

이 논문에서 가장 눈에 띄는 결과는 착지 충격력이에요. 연구팀은 배(몸의 무게중심에 가까운 지점) 좌표에서 얻은 속도와 착지 지속시간, 그리고 몸무게로 착지 충격력을 계산했는데, 그 값이 착지면 기울기에 따라 극적으로 달라졌어요. 아래 표의 값은 모두 평균 ± 표준오차이고, 착지 지속시간은 몸의 어느 부위든 처음 표면에 닿은 순간부터 몸이 표면에 가장 가까워지는 순간까지의 시간이에요.

수평면 충격력(5.22N)과 수직면 충격력(1.01N)을 비교하면 약 5분의 1 수준으로 줄어들어요. 충격력은 세 조건이 서로 모두 유의하게 달랐어요(수평 대 45도 경사 p=0.002, 나머지 조합 p<0.001). 다만 다른 열은 조금 사정이 달라요. 최대 감속도는 수평과 수직 사이에서만 유의했고(p=0.007) 나머지 조합은 유의하지 않았으며, 몸통 곡률도 수평과 45도 경사 사이에는 차이가 없었어요(p=0.44).

표의 감속도와 충격력은 서로 곱셈으로 이어지지 않아요

여기서 한 가지 짚고 갈 게 있어요. 표를 보면 수평면 최대 감속도가 1019 m/s²인데, 몸무게 약 0.04kg을 곱하면 40N이 넘어요. 그런데 같은 줄의 충격력은 5.22N이죠. 이 값들은 논문에 인쇄된 그대로이고(그림 8B의 세로축도 0, 500, 1000 m/s² 눈금이에요), 오타가 아니라 두 열이 서로 다른 방식으로 구해진 값이라 생기는 차이예요.

최대 감속도는 초당 2000프레임 영상에서 프레임과 프레임 사이의 속도 변화로 구한 순간 최대값이에요. 아주 짧은 순간 뾰족하게 튀는 값이 잡히기 때문에 착지 전체를 평균한 값보다 훨씬 커요. 논문 그림 4F의 수평면 착지 사례를 봐도 배의 가속도가 접촉 직후 아래로 급하게 꺼졌다가 곧 되돌아오는 뾰족한 모양으로 나타나요. 반면 충격력은 그 순간값이 아니라 착지 전체를 평균한 감속도로 따로 계산했어요.

\[ F_i = m\,\frac{v}{T}\,\sin(\alpha) + m\,g\,\cos(\varphi) \]

m은 몸무게, v는 착지 순간의 전체 속도, T는 착지 지속시간, α는 속도 벡터와 착지면이 이루는 각, φ는 착지면 기울기예요. 여기서 v·sin(α)가 착지면에 수직인 속도 성분이고, 논문이 그림 8A에 “착지 속도”로 실은 1.66-1.81 m/s가 바로 이 수직 성분이에요(논문 본문은 그냥 착지 속도라고만 적었고, 수직 성분이라는 건 그림 8A 설명에 나와요). 그러니 앞항은 결국 수직 성분을 착지 지속시간으로 나눈 값, 즉 착지면에 수직인 방향의 평균 감속도에 몸무게를 곱한 거예요. 수평면이면 1.75를 0.0177초로 나눈 약 99 m/s²가 그 평균 감속도예요. 순간 최대값 1019 m/s²의 10분의 1이죠. 그러니 표의 감속도 열에 몸무게를 곱해서 충격력 열과 맞춰 보려고 하면 안 맞는 게 정상이에요. 참고로 이 1.75 m/s는 앞에서 말한 수평면 도약 속도 1.75 m/s와 값이 같은데, 서로 다른 시점의 다른 양이 우연히 같은 숫자가 된 거예요.

그래서 무엇이 충격력 차이를 만들었나

논문이 보고한 착지 속도는 착지면에 수직인 속도 성분인데(그림 8A), 세 조건에서 1.66-1.81 m/s로 통계적 차이가 없었어요. 몸무게도 같은 개체들이니, 착지면에 수직으로 부딪히는 운동량 자체는 세 조건에서 비슷했다는 뜻이에요. 그럼 충격력 차이는 어디서 왔을까요? 논문은 두 가지를 들었어요.

하나는 위 식의 뒷항, 즉 중력이에요. 수평면이면 cos(0도)=1이라 몸무게에 해당하는 힘(이 개체들이면 0.35-0.48N)이 충격력에 그대로 더해지지만, 수직면이면 cos(90도)=0이라 이 항이 통째로 빠져요. 다만 이것만으로는 5.22N과 1.01N의 차이를 설명할 수 없어요.

나머지는 앞항, 즉 착지 지속시간이에요. 비슷한 속도로 부딪혀 오는 몸을 멈춰 세울 때, 멈추는 데 걸리는 시간이 17.7ms에서 69.7ms로 4배 가까이 길어지면 그동안 몸이 받는 평균적인 힘은 그만큼 작아져요. 같은 속도 변화를 만드는 데 필요한 충격량(힘 × 시간)이 정해져 있으니, 시간을 늘리면 힘이 줄어드는 익숙한 원리예요.

그럼 크레는 어떻게 착지 시간을 늘릴까요? 연구팀이 지목한 건 몸을 구부리는 정도, 즉 몸통 곡률이에요. 위 표에서 보듯 수직면에서 몸통 곡률이 가장 컸고(0.51), 몸통 곡률이 클수록 착지 지속시간이 길었어요(회귀선의 기울기가 양수였고 r²=0.51). 그리고 착지 지속시간이 길수록 충격력이 작았어요(논문은 착지 지속시간과 로그 변환한 충격력의 관계를 r²=0.81로 보고했고, 회귀선은 음의 기울기였어요). 연구팀은 몸을 많이 구부린 채로 첫 접촉이 시작되면 몸의 여러 부위(주둥이, 앞다리, 배, 뒷다리)가 순차적으로 시간차를 두고 표면에 닿게 되고, 그래서 착지 과정이 길게 늘어진다고 해석했어요. 만약 모든 부위가 동시에 닿았다면 착지 시간이 짧아져서 충격력이 더 컸을 것이라고 봤고요.

다만 이건 어디까지나 상관관계라는 점은 짚어 둘게요. 곡률만 따로 바꿔 가며 확인한 실험이 아니라, 착지면 기울기를 바꾸자 곡률·첫 접촉 부위·힘의 방향·중력의 기여가 한꺼번에 달라진 것이거든요. 순차적인 신체 접촉이 감속 시간을 늘린다는 건 연구팀의 해석이에요.

수직면에서는 몸이 착지면과 거의 직각을 이루며 부딪히게 돼요. 주둥이를 살짝 든 자세 그대로 벽면에 정면으로 다가가는 셈이죠. 논문은 이 충돌 방향이 몸의 큰 휘어짐을 유도했을 가능성이 크다고 봤어요. 그 결과 몸이 크게 휘는 “역방향 벗겨내기(reverse peeling)” 동작이 나타났고, 연구팀은 이 동작이 착지 시간을 최대로 늘려서 몸이 표면에서 튕겨 나가는 “바운스 백”을 줄이고 접착판이 마찰력을 최대로 발휘할 수 있게 해 주는 것으로 보인다고 설명했어요. 게코는 파충류 특유의 옆으로 뻗은 다리 구조(포복 자세) 때문에 개구리나 사람처럼 다리를 굽혀서 충격을 흡수하기 어려운데, 그 대신 몸통 전체를 활처럼 휘어서 같은 효과를 내는 셈이에요.

그런데 왜 수직면 착지가 “안전하지만 공짜는 아닌” 걸까

여기서 반전이 하나 있어요. 충격력만 보면 수직면 착지가 압도적으로 유리하지만, 수직면에는 중력이 착지 이후에도 계속 작용해요. 수평면에 착지하면 바닥이 몸을 그냥 받쳐 주지만, 수직면에 붙으면 미끄러져 떨어지지 않으려면 접착판(발가락, 그리고 필요하면 꼬리)으로 계속 표면을 붙잡고 있어야 해요. 즉 수직면 착지는 충격은 작지만 접착을 반드시 요구하는 착지 방식이고, 수평면 착지는 충격은 크지만 접착이 필요 없는 방식이에요.

연구팀은 이 대목에서 같은 종을 다룬 또 다른 논문, Griffing 등이 2021년 발표한 크레 접착력 논문(저희 블로그에서도 다룬 적 있어요)의 몸무게-접착력 관계식을 빌려와서, 이 실험에 쓰인 크레들이 앞다리 하나로 낼 수 있는 최대 마찰 접착력을 약 10N으로 추정했어요. 45도 경사면에서는 앞다리가 가장 먼저 닿는 경우가 많았는데(75%), 그때 충격력은 표에서 보듯 평균 2.62N이었어요(논문은 이 대목에서 2.5N 정도라고 반올림해 적었어요). 앞다리만으로 몸을 지탱한다고 가정하고 충격력 중 착지면과 나란한(아래로 미끄러지는) 성분이 상당하다고 보면, 안전계수(접착판이 낼 수 있는 힘이 실제로 걸리는 힘의 몇 배인지)가 게코의 접착 기관에 대해 흔히 생각하는 것보다 상당히 낮아진다는 게 논문의 지적이에요.

다만 이건 관계식으로 추정한 최대 접착력과 여러 번의 점프를 평균 낸 충격력을 나란히 놓고 본 값이에요. 두 힘이 같은 시점에 같은 방향으로 걸린다고 확인한 게 아니고요. 논문도 실제로는 앞다리가 닿은 뒤 뒷다리가 이어서 표면을 붙잡을 수 있어 부담이 나뉠 가능성이 있다고 밝혔고, 착지판에 힘 측정판을 넣어 3차원 힘을 직접 재는 것이 다음 과제라고 했어요.

꼬리와 착지의 관계, 그리고 아직 못 밝힌 것들

크레는 점프하는 동안 꼬리를 위로 든 자세를 자주 보였어요(논문은 이 부분을 수치로 재지 않고 관찰로만 기술했어요). 연구팀은 이게 몸이 앞으로 곤두박질치려는 경향(코가 아래로 쏠리는 힘)을 상쇄하는 역할일 수 있다고 추정했는데, 정확히 확인하려면 꼬리 각도까지 함께 분석해야 하는데, 이번 연구에서는 거기까지 다루지 않았어요. 다만 논문은 저희가 지난 글에서 다뤘던 사실, 즉 크레는 꼬리가 한번 잘려나가면 평생 다시 자라지 않는다는 점을 언급하면서, 꼬리가 없는 개체는 착지할 때 코가 아래로 쏠리는 회전이 일어나 착지에 실패할 위험이 있을 수 있다고 조심스럽게 추정했어요. 다만 이건 이 논문에서 직접 검증한 내용이 아니라 추정이라는 점은 분명히 밝혀 둘게요(실제로 다른 게코 종인 케이프난쟁이게코를 대상으로 한 연구에서는 꼬리를 자절해도 점프 성공률이 달라지지 않았다는 보고가 있어요. 이 개체들도 수직면에 착지하는 상황이었고요).

연구팀이 스스로 인정한 한계도 여러 가지예요. 크레는 원래 야행성인데 촬영 장비 특성상 밝은 조명 아래서 실험할 수밖에 없었고요, 착지면도 딱딱하고 흔들리지 않는 판을 썼는데 실제 나뭇가지나 나뭇잎은 탄성이 있어서(휘거나 흔들려서) 충격을 한 번 더 흡수해 줄 가능성이 있어요. 또 이번 실험은 매끄러운 인공 표면에서만 이뤄졌기 때문에, 거칠거나 젖은 나무껍질 같은 실제 서식 환경 표면에서는 결과가 달라질 수도 있어요. 그리고 앞서 말했듯 수컷 4마리라는 표본 크기 자체가 크지 않아서, 개체별 편차나 성별 차이가 결과에 얼마나 영향을 미쳤는지는 알 수 없어요.

사육자에게 주는 시사점

이 논문은 야생 생태보다는 생체역학 메커니즘을 다룬 기초 연구지만, 사육 환경을 꾸릴 때 참고할 만한 대목이 있어요.

첫째, 크레가 점프해서 수직에 가까운 면(코르크 판, 세워 놓은 나뭇가지, 배경 패널 등)에 붙을 때는 몸을 구부려 충격을 흡수하는 능력을 자연스럽게 쓰고 있다는 뜻이에요. 사육장에 수직 방향의 등반 구조물을 넉넉히 넣어 주면, 크레가 원래 갖고 있는 이 착지 전략을 충분히 발휘할 공간을 주는 셈이에요. 실제로 이 논문의 저자들도 크레가 포식자를 피해 도망칠 때 충격이 작고 대부분의 척추동물 포식자가 접근하기 어려운 수직면을 선호할 가능성이 있다는 가설을 제기했어요(다만 야생 관찰로 확인된 건 아니라고 밝혔어요).

둘째, 바닥이나 넓고 평평한 수평 구조물에 뛰어내리면 같은 속도로 부딪혀도 충격력이 훨씬 커져요. 이 실험은 사육장 높이·낙하 거리·바닥재 종류를 비교하지 않았으므로 특정 높이나 바닥재의 안전 기준을 정할 수는 없어요. 대신 붙을 곳 없이 딱딱한 바닥까지 길게 떨어지는 구간을 줄이고, 중간에 붙을 수 있는 수직 구조물과 휘어지는 가지·잎을 배치해 주세요.

셋째, 앞서 짚었듯 꼬리를 잃은 개체는 착지할 때 불리해질 가능성이 이 논문에서 조심스럽게 언급됐어요. 크레는 꼬리가 재생되지 않는 종이라는 걸 다시 한번 기억하고, 스트레스나 거친 핸들링으로 꼬리 자절을 유발하는 상황을 피하는 게 좋겠어요.

이 글은 아래 원 논문을 직접 읽고 참고문헌까지 확인해서 정리했어요.

출처: Higham TE, Hofmann MNS, Modert M, Thielen M, Speck T. “Jumping with adhesion: landing surface incline alters impact force and body kinematics in crested geckos.” Scientific Reports, 2021;11:23043. https://doi.org/10.1038/s41598-021-02033-4 (오픈 액세스, CC BY 4.0)

본문의 그림(Fig. 1, Fig. 6A-D, Fig. 7, Fig. 9)은 위 논문에서 그대로 가져왔어요.