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[Design Close Up] 자연을 닮은 생체모방기술의 현주소





생체모방기술(Biomimetics)이란 생물체가 지닌 뛰어난 구조 및 기능으로부터 원리를 도출하여 이를 새로운 공학기술로 만들어내는 기술을 말한다. 쉽게 접할 수 있는 생체모방 사례로는 스위스 전기 기술자 조르쥬 드 메스트랄(George de Mestral)이 도꼬마리씨를 모방하여  옷, 신발, 우주복 등에 광범위하게 사용되고 있는 벨크로(Velcro), 물총새의 부리 모양을 기차 선두에 적용해 터널 통과시의 소음과 시간, 전력을 저감시킨 일본의 고속철도 신칸센(新幹線), 건축가 믹 피어스(Mick Pearce)가 흰개미집의 자동온도조절기능에서 모티브를 얻은 에어컨이 없는 아프리카의 이스트게이트 쇼핑센터(Eastgate Shopping Centre), 청색나비의 날개가 반짝이는 것에 착안해 파동의 보상과 간섭 조절 기술을 바탕으로 한 퀄컴(Qualcomm)의 미라솔 디스플레이(Mirasol Display) 등이 있다.
생체모방기술이 과거에는 외형적 모방에 머물렀다면 최근에는 정밀한 세포의 기능을 모방한 인공 효소 기술들이 등장하고 있다. 이번 Design Close Up에서는 모방하는 객체가 무엇인지에 따라 인간, 식물, 동물로 구분해 생체모방기술들을 살펴보고자 한다.
※ 이미지 출처 : https://www.festo.com/group/de/cms/10224.htm








※ 이미지 출처 : https://en.wikipedia.org/wiki/Dendrite#/media/File:Complete_neuron_cell_diagram_en.svg (좌),
http://www.research.ibm.com/articles/brain-chip.shtml (우)

기존의 컴퓨터 기술은 주로 논리적인 데이터 처리 중심의 ‘좌뇌’ 기능을 수행했다. 오늘날에는 여러 데이터를 수집해 종합적인 문제를 해결하도록 하는 인간의 ‘우뇌’ 기능을 모방한 기술이 등장했다. 뉴로시냅틱 기술(Neurosynaptic Technology)은 인간의 뇌가 정보를 처리, 저장(1000억개의 각 신경세포가 약 100조개의 시냅스로 연결되어 뉴런이 시냅스를 이용하여 화학신호를 주고받는데 일의 양에 따라 많을 경우 연결이 늘어나고 적을 경우 연결이 끊어지는 등의 구조로 에너지를 효율적으로 사용)하는 방식을 적용한 기술이다. 단순히 정해진 연산만을 하는 것이 아니라 스스로 학습을 통해 판단하고 효율적인 경로를 찾는다. 인지능력을 통해 뉴로시냅틱 컴퓨팅에는 중앙처리장치가 없고 무수히 많은 뉴런과 시냅스가 병렬적으로 연결되어 있다. 2014년 8월 미국의 컴퓨터, 정보기기 제조업체인 IBM(International Business Machines)이 개발한 ‘트루노스(True North)’는 트랜지스터를 이용해 디지털 뉴런과 시냅스를 만들어 인간의 두뇌와 같은 방식으로 정보를 처리하는 뉴로모픽 칩(Neuromorphic Chip)이다. 트루노스는 70mW의 초저전력으로도 구동될 수 있으며 이미지 인식 및 번역, 딥 러닝(Deep Learning) 등을 수행할 때 처리속도가 빠르다. 상용화될 경우, 스마트폰이나 사물 인터넷 단말기에 혁신을 불러일으킬 것으로 전망된다.





※ 이미지 출처 : http://news.unist.ac.kr/smart-artificial-skin-holds-prosthetic-promise/

미세한 압력과 온도를 감지하고 소리까지 들을 수 있는 다기능 센서역할을 하는 인공전자피부(Electronic Skin)가 울산과학기술원(Ulsan National Institute of Science and Technology, UNIST) 화학공학부 고현협 교수와 동아대학교 화학공학부 이헌상 교수 공동연구팀에 의해 개발되었다. 인공전자피부는 사람 피부의 촉각 감지기능을 모사하여 외부의 물리적 자극을 전기적 신호로 변환시키는 전자소자로, 연구성과는 과학저널 사이언스(Science)지의 자매지이자 국제학술지인 사이언스 어드밴스(Science Advances)지 최신호에 게재되었다.


※ 이미지 출처 : http://news.unist.ac.kr/smart-artificial-skin-holds-prosthetic-promise/ 

전자피부는 손가락 지문에서 아이디어를 얻어 미세한 굴곡을 표현했으며 손가락 피부 내부 구조를 모사하여 온도, 압력, 소리, 질감 등을 감지할 수 있게 만들어졌다. 고분자 복합소재 필름은 한 면에 마이크로 크기의 반구 형태의 돔(Dome)이 형성되도록 하고 돔 형상이 서로 맞물리도록 필름 2장을 배치하는 방법으로 제작되었다.
기존의 촉각센서가 수직압력이나 신축력과 같은 한 방향의 힘만을 감지할 수 있고 미세표면의 거친 정도를 인식할 수 없는 반면에 전자피부가 표면과 접촉할 때 안쪽의 돔들이 맞물리면서 미세한 압력변화가 발생하기 때문에 이를 통해 전류량의 변화를 감지한다. 스마트폰 또는 휴대용 기기의 마이크로폰보다도 음파감지정도가 높게 나타났다. 연구진은 전자피부의 신호를 뇌가 인식하도록 하는 것을 목표로 연구를 계속하고 있으며 이 연구가 성공하면 웨어러블 소자, 로봇, 음성인식, 건강진단 등 다양한 분야와 활발하게 결합될 것으로 전망하고 있다.





※ 이미지 출처 : http://vincent.callebaut.org/page1-img-taipei.html

대만 타이페이(臺北)의 아고라 가든(Agora Garden)은 외관에서 볼 수 있듯이 인간 DNA의 이중나선구조에 착안하여 디자인된 건물이다. 이 건물은 벨기에 건축가 뱅상 칼보(Vincent Callebaut)가 친환경을 목적으로 건물 내에서 에너지를 생산하고 운영할 수 있도록 설계했다. 아고라 가든의 건축자재와 내장 가구는 모두 재활용하거나 재활용할 수 있는 친환경 소재를 사용했으며 태양광 발전으로 일부 에너지를 공급한다. 하나의 타워가 다른 타워와 나선형으로 감싸며 중심에 코어를 형성해 올라가는 구조이다. 다른 고층빌딩과 달리 시야를 방해하는 것을 줄일 수 있고 아파트 공간 내 정원이 차지하는 비중이 높아 친환경적이다. 아고라 가든은 2016년에 완공될 예정이며 도시의 건축이 자연과 어떻게 구체적으로 공존할 수 있는지 보여주는 좋은 예로써 많은 이들의 주목을 받고 있다.






※ 이미지 출처 : http://www.sto.com/92729_EN-Highlights-StoLotusan.htm

비가 오는 날이면 연잎의 표면에서 둥글게 뭉쳐 구르는 물방울을 볼 수 있다. 구르는 물방울은 잎의 표면에 있는 먼지를 씻어내며 떨어진다. 잎이 물방울에 젖지 않는 현상을 ‘연잎효과(Lotus Effect)’라고 한다. 이는 물의 극대화된 표면장력과 소수성에 기인한 것으로, 소수성(Hydrophobic)이란 물과 혼합되지 않는 성질을 의미한다. 연잎의 표면에는 수많은 나노돌기들이 존재하며, 그 작은 돌기들이 표면장력을 극대화시키고 소수성을 일으킨다. 현미경으로 보면 잎의 표면에 직경 약 10㎛, 높이는 약 8㎛로 이루어진 돌기들이 바닥과의 약 50도 각도로 경사지어 돌출해 있다. 경사로 인해 물방울이 이동할 때 마찰이 증가하였다가 정점에서는 다시 초기 마찰로 돌아가는 것을 알 수 있다. 따라서 표면과 돌기 사이의 재질적 마찰의 차이는 없게 된다. 또한 하나의 돌기 안의 나노 크기의 미세돌기들이 표면장력을 극대화시킨다. 기기들이 점차 고성능으로 발전하면서 전자제품의 방수처리기술 개발이 중요한 시점이다. 이러한 가운데 물에 젖지 않는 전자소자를 만들 수 있는 기술이 포스텍(Pohang University of Science and Technology, POSTECH) 연구팀에 의해 개발됐다.



포스텍 화학공학과 용기중 교수와 이승협 박사는 연잎효과를 이용해 차세대 비휘발성 메모리 소자(Resistive Random Access Memory, RRAM)를 개발했다. 전자소자의 표면에 텅스텐 산화물 반도체 나노선을 합성하고 표면을 단분자막으로 화학코팅하여 물 속에서도 젖지 않으면서 자가세정 효과가 있다. 나노소자와 생체모방기술을 접목시켜 반도체 소자의 방수특성을 향상시킨 해당 연구는 신소재 분야에서 권위있는 학술지인 '어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)'지에 온라인 속보로 게재되었다.





 
※ 이미지 출처 : http://www.royalgazette.com/article/20131022/NEWS/131029916 (좌),
http://www.kualalumpurpost.net/export-toxic-shellfish-out-of-sabah-and-face-the-consequence-health-ministry/ (우)

서울대학교 기계항공공학부와 LG전자 공동연구팀은 혹등고래와 조개의 생체모방 기술로 설계된 대용량, 저소음 팬을 개발했다. LG전자의 멀티브이 슈퍼 5(Multi V Super 5) 모델에 이 팬을 적용했으며 혹등고래 돌기 모방 유동제어를 이용한 축류팬 형상설계 기술로 신기술 인증을 받았다.



연구팀은 혹등고래 지느러미 형상의 후면돌기를 적용해, 축류팬 날개 표면의 박리(Separation) 손상을 막아 풍량을 증가시켰으며, 조개형상의 물결무늬(Groove)를 단속적으로 홈을 파서 적용함으로써 위상 차이로 인한 소음을 감소시켰다. 





※ 이미지 출처 : http://www.insight.co.kr/newsRead.php?ArtNo=28375

미국 인디애나(Indiana)주 퍼듀 대학(Purdue University)의 조나단 윌커(Jonathon Wilker) 박사는 홍합에서 단백질 혼합물을 추출해 접착제를 만들었다. 이 접착제는 Mefp-1 단백질의 카테콜아민이 콜라겐 섬유와 단백질을 강하게 결합하여 홍합과 바위를 연결하는 가교 역할을 이용한 것이다. 국내에서도 홍합의 접착 메커니즘을 이용한 홍합의료접착제가 개발되었다.
해양수산부가 추진하는 해양수산생명공학기술사업의 ‘해양 섬유복합소재 및 바이오플라스틱소재 기술개발’지원사업으로 차형준 포스텍(POSTECH) 화학공학과 교수 주도의 연구팀은 ‘자가복원성 생체접착 단백질 하이드로젤’을 개발했다. 이 홍합접착제는 물속에서도 접착력을 유지할 수 있으며 단백질과 철(Fe) 이온과의 상호작용을 통한 가교반응을 일으켜 반복적으로 접착과 탈착을 해도 접착을 유지할 수 있는 자가복원 기능도 있다. 인체에 해가 적으며, 물이 있는 환경에서도 사용할 수 있으며, 기계적 물성이 충분하고, 생분해성을 갖추어야 하는 등의 의료접착제의 조건을 만족시켰다. 이번 연구는 바이오소재 분야의 최고 권위 학술지인 ‘생체재료(Biomaterials)’지 온라인에 게재되었다.





※ 이미지 출처 :
http://www.lge.co.kr/lgekor/product/household-appliances/vacuum/productDetail.do?cateId=6110&prdId=EPRD.288218

박쥐는 초음파를 사용해 장애물의 위치를 파악하고 먹이를 잡는다. 박쥐가 발사한 음파는 여러 물체에 부딪혀 반사되어 박쥐에게 돌아오는데 박쥐는 각기 다른 시간과 범위로 거리를 파악한다. 박쥐는 서식하는 환경이나 종에 따라 다양한 형태의 초음파를 발신하는데, 초음파는 크게 주파수가 변하지 않는 CF(Constant Frequency) 초음파와 주파수가 변하는 FM(Frequency Modulation) 초음파로 분류할 수 있다.



많은 사람들이 이용하고 있는 로봇 청소기 또한 박쥐가 초음파를 이용해 장애물의 위치를 파악하는 것처럼 초음파 센서로 장애물의 위치를 파악한다. LG전자의 로보킹은 자이로센서와 3개의 초음파 센서로 구성된 로봇청소기다. 자이로센서는 평형과 위치를 보정하는 귓속의 달팽이관 역할을 담당하고, 박쥐가 어두운 곳에서도 물체를 인식하는 것처럼 로봇 청소기의 초음파 센서가 청소 중 장애물을 감지할 수 있도록 해준다.



 

※ 이미지 출처 : http://robobees.seas.harvard.edu/ (우)

공학자들은 하늘도 날면서 물속에서도 이동이 가능한 운송수단을 개발하고자 노력해왔다. 미국 매사추세츠(Massachusetts)주 하버드 대학(Harvard University)의 미세로봇공학연구실(Microrobotics Lab)에서 같은 기능의 비행 잠수함을 구현시킬 수 있는 모티브가 되는 로봇 로보비(RoboBee)를 개발했다. 로보비는 물속에서 헤엄도 치고 하늘로 날아오르기도 하는 바다오리에 착안하여 물속에서도 공기 중과 같이 움직일 수 있다. 로보비는 탄소섬유의 가벼운 날개를 초당 120번 고속으로 움직이며 얇은 세라믹과 특수 플라스틱을 겹친 뒤 한 번에 접어 펼침으로써 로보비의 몸체가 입체적으로 만들어질 수 있도록 했다. 지진현장과 같은 재해현장에서 생존자를 찾거나 농작물 관리에 사용하는 등 다방면에 활용될 전망이다.





※ 이미지 출처 : http://www.mybionicbird.com/?product=bionic-bird-2&lang=en (좌)

40년 이상 조류형 비행체를 지속적으로 제작해온 프랑스 기업 XTIM사에서 2014년 개발한 날개로 비행하는 바이오닉 버드(Bionic Bird)는 블루투스를 통해 스마트폰으로도 100m 거리 내에서 손쉽게 조종할 수 있는 조류형 드론이다. 기존에 출시된 드론은 프로펠러로 작동되어 프로펠러에 부상을 입을 수 있는 위험이 있으나 바이오닉 버드는 날개로 하늘을 나는 구조로 안전하다. 또한 최대 20km/h까지 속도를 낼 수 있으며, 자동차 부품에 쓰이는 EPP(Expanded Polypropylene)와 OPP필름(Oriented Polypropylene Film), 카본(Carbon)을 사용해 견고하다. 새와 외관이 비슷하고 새와 동일한 방식으로 비행하기 때문에 다른 동물들을 가까이서 관찰하거나 연구하기에 좋다.





※ 이미지 출처 : http://biorobotics.ri.cmu.edu/projects/modsnake/pictures.html
 
미국 펜실베니아(Pennsylvania)주 카네기멜론대학교(Carnegie Mellon University)의 바이오 로보틱스 랩(Bio Robotics Lab)에서 발명한 스네이크 로봇(Snake Robot)은 세계적인 뱀 로봇의 권위자인 일본의 히로세 시게오(広瀬茂男) 교수가 1971년에 고안한 아이디어를 기반으로 뱀의 움직임과 유연한 관절에 착안하여 개발되었다. 관절구조로 유연하기 때문에 탐색 및 구조, 고고학 분야, 핵발전소 등과 같이 인간이 물리적으로 접근하기 어렵거나 위험성이 큰 공간에 진입할 수 있으며 선박이나 항공기를 만드는 제조업 분야에도 활용될 수 있다.





※ 이미지 출처 : https://www.festo.com/group/de/cms/10216.htm 

자연에 대한 인간의 관심은 오랜 역사를 가진다. 레오나르도 다빈치(Leonardo da Vinci)는 새의 날개 구조를 모방해서 비행 장치를 설계했고 ‘생체모방: 자연을 통해 이룬 혁신(Biomimicry : Innovation Inspired by Nature)’의 저자이며 생체모방학의 선구자인 미국의 과학자 재닌 베니어스(Janine Benyus)는 생체 모방을 ‘자연이 가져다 준 혁신’이라 정의했다. 재닌은 자연의 설계와 프로세스를 모방해 현재 인간이 직면한 문제들에 대한 지속 가능한 해결책을 제공받을 수 있을 것으로 전망했다. 이렇게 과거부터 자연적 설계에 대한 인간의 관심은 지속되어 왔으며 오늘날 미국의 경우 1986년부터 2014년까지 111개의 생체기술을 발표하며 36.39%를 차지하며 생체기술 부분에서 선두주자로 앞장서고 있다. 그 다음으로 영국, 독일, 중국 등에 이어 한국의 경우 4.59%로 아직 생체모방공학의 발전 정도가 미미한 상황이다. 미국의 경우 미국국립과학재단(National Science Foundation, NSF)과 미국국방고등연구계획국(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)이 바이오미메틱스 관련 연구개발을 조성중이며 독일의 경우 2001년에 정부 주도로 28개 연구조직의 산학관 제휴 네트워크인 BIOKON을 설립해 바이오미메틱스 산업 전개를 추진하고 있다.
우리나라의 경우 한국과학기술정보연구원(Korea Institute of Science and Technology Information, KISTI)이 개최한 ‘2014 미래유망기술세미나’에서 10대 미래 유망 기술 중 하나로 생체모방기술을 선정한 바 있다. 생체모방기술의 발전을 위해서는 국내 산업환경조성을 위한 단일화된 기관 수립 및 선도기술의 정보교류 활성화 등의 방안이 필요하다. 소재, 기계, 환경, 에너지, 의료 등 광범위한 분야와 응용, 연계되어 신산업 창출가능성이 높은 생체모방기술의 발전이 가져올 국가의 미래 산업과 사회를 기대해본다.
 

글 / 디자인맵 편집부

 

원문 주소:http://www.designmap.or.kr/ipf/IpTrFrD.jsp?p=535&x=1

 

 

 

 

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#특허청 #디자인맵 #생체모방기술

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