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Arcturus :: 자연을 닮은 생체모방 기술의 현주소

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생체모방기술 – 계명대학교 | KOCW 공개 강의

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생체모방 – 위키백과, 우리 모두의 백과사전

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참고 문헌[편집]

같이 보기[편집]

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첨단 분야에도 활용되는 생체모방 기술 – Sciencetimes

잡초처럼 아무리 하찮은 미물(微物)일지라도 배울만한 점은 반드시 있는 법이다. 생체모방(biomimetics) 기술은 바로 이런 관점에서 출발했다.

생체모방이란 수십억 년이라는 시간 동안 시행착오와 선택이라는 진화 과정을 통해 살아남은 생명체들을 모방하거나 이들로부터 영감을 얻고자는 취지로 탄생된 기술이다. 그동안에는 이 같은 생체모방 기술이 벨크로(velcro) 같은 생활용품 제작에 주로 활용됐다.

그런데 최근 들어 생체모방 기술이 일상생활뿐만 아니라 첨단 기술 분야에도 활발히 적용되고 있어 눈길을 끌고 있다. 예를 들면 방수 코팅 기술에 활용할 수 있는 곤충 표피의 나노 구조나 해수담수화 기술에 적용할 수 있는 식물의 여과막 구조 등을 꼽을 수 있다.

표면에 난 돌기를 모방하여 방수 코팅 기술 개발

방수 코팅하면 떠오르는 식물이 있다. 바로 연잎이다. 연잎은 아무리 빗발이 거세도 빗방울을 그대로 튕겨내고, 잎 위에 고인 빗물은 고스란히 흘려버리는 용한 재주를 갖고 있다.

이를 ‘연잎효과(Lotus effect)’라고 부르는데, 이 같은 현상이 일어나는 원인은 연잎에 무수히 나있는 미세한 돌기와 연잎 표면을 코팅하고 있는 일종의 왁스 성분 때문이다.

연잎의 표면을 보면 마치 기름종이처럼 매끈하다고 느껴지지만, 이를 현미경으로 보면 아주 미세한 돌기로 이뤄져 있음을 알 수 있다. 이 돌기에 물을 떨어뜨리면 퍼지지 않고 방울 형태로 맺히게 되는데, 이 같은 현상이 나타나는 이유는 액체가 최소의 표면적을 유지하기 위하여 스스로 수축하는 힘인 ‘표면장력’이 작용하기 때문이다.

따라서 과학자들은 오래전부터 이 같은 연잎효과를 응용하여 실생활에서도 사용할 수 있는 제품들을 개발해 왔다. 예를 들면 칠을 해도 벽에 빗물이 스며들지 않은 방수 페인트나 비가 와도 자동차 유리에서 퍼지지 않는 코팅제 등이 이에 해당된다.

연잎효과처럼 물에 젖지 않는 방수 코팅 기능은 곤충에서도 찾아볼 수 있다. 곤충 같은 절지동물의 외골격은 뛰어난 방수 코팅 기능을 갖고 있는 것으로 알려져 있는데, 최근 미국의 과학자들이 이 같은 곤충의 방수 코팅 기능을 실험을 통해 밝혀내 주목을 끌고 있다.

미 펜실베니아주립대의 ‘린 왕(Lin Wang)’ 교수가 이끄는 연구진은 곤충의 외골격 표면에 형성되어 있는 나노(nano) 크기의 작은 돌기들이 방수 코팅 효과를 높인다는 사실을 발견했다. 돌기가 방수 코팅 효과를 갖도록 하는 역할을 한다는 사실은 이미 연잎 표면에서도 확인된 바 있다.

특히 돌기들은 공기층을 보존해 물에 대한 방수 능력은 물론이고 공기 역학도 좋게 한다는 사실이 추가로 파악됐다. 연구진은 이 같은 나노 크기의 돌기 구조를 안면 보호구 등에 활용하면 환자의 침이 달라붙는 대신 흘러내리거나 튕겨 나가도록 할 수 있기 때문에 코로나19 같은 전염병의 감염 위험을 줄일 수 있을 것으로 기대하고 있다.

벌새 비행을 모방한 초소형 비행체로 정찰 기능 강화

생체모방 기술이 첨단 분야에 적용되고 또 다른 사례로는 포스텍(POSTECH) 연구진이 개발 중인 저비용 고효율 해수담수화 시스템을 꼽을 수 있다. 해수를 담수로 만드는 기술은 물 부족에 시달릴 미래의 인류를 위해 반드시 개발해야 할 첨단 분야다.

그러나 현재까지 개발된 기술은 담수화 과정에서 너무 많은 에너지 소비를 필요로 해서 상용화가 더딘 상황이다. 바닷물을 담수로 만드는 데 있어 소요되는 비용이 너무 비싸다 보니, 아무래도 보급 확대에 있어 문제가 생길 수밖에 없는 것이다.

포스텍 연구진이 개발 중인 해수담수화 시스템은 아열대 지역 해안가에서 주로 자라는 맹그로브(mangrove) 뿌리의 메커니즘을 모방했다. 염생식물(halophyte)인 맹그로브의 뿌리는 나트륨 이온을 여과할 수 있는 기능을 가지고 있어서, 바닷물에 포함된 염분의 약 90%를 걸러낼 수 있는 것으로 알려져 있다.

염생식물이란 바닷가 주변에서 서식하는 식물을 가리킨다. 일반적으로 식물은 삼투압 현상으로 인해 염분이 존재하는 지역에서 살 수 없지만, 염생식물들은 뛰어난 여과 능력을 가지고 있기 때문에 염분이 많은 환경에서도 적응하여 서식할 수 있다.

연구진은 맹그로브 뿌리를 모방한 필터를 가지고 실험한 결과, 기존의 해수담수화 시스템과 유사한 96.5%의 염분 제거 성능을 보인 것으로 드러났다. 맹그로브 뿌리의 멤브레인이 나트륨 이온을 필터링할 수 있는 기능을 가지고 있기 때문이다.

식물 뿌리를 모방한 해수담수화 여과막은 제작 과정이 간단하다. 특히 소규모의 설비로도 작동이 가능하고 비용도 거의 들지 않기 때문에 한적한 바닷가에 위치한 작은 마을에서도 활용이 가능하다는 것이 포스텍 측의 설명이다.

한편 새 중에서도 가장 작은 몸체를 가진 벌새를 모방한 초소형 비행체도 생체모방 기술를 활용하고 있다. 벌새는 독특한 어깨 근육과 날개 구조를 갖고 있어서 효율적인 비행을 하는 것으로 유명하다.

이 같은 벌새의 특징을 최대한 살린 초소형 비행체는 미 국방성 산하의 고등연구계획국(DARPA)이 개발하고 있다. ‘허밍봇(hummingbot)’이라는 이름의 초소형 비행체는 벌새만이 가진 독특한 날갯짓인 ‘정지비행’을 그대로 모방했다.

또한 공중에서 전후좌우로 이동하는 것은 물론, 무게도 10g 미만의 초소형이어서 전투가 벌어지는 곳이라면 눈에 띄지 않게 적진을 탐색할 수 있다. 특히 군사 용도 외에 무너진 빌딩에 갇힌 사람을 찾거나, 범죄자 수색 등 재난 및 수사 등 다양한 용도로도 허밍봇이 활용될 것으로 예상하고 있다.

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자연에서 답을 얻는 ‘생체모방기술’의 발전

거미줄 모사한 섬유, 스핀텍스 엔지니어

달팽이관 원리, 소리까지 듣는 인공피부

홍합의 남다른 수중 접착력 모방, 고성능 무독성 접착제 ‘PCS’ 개발

그야말로 자연에서 답을 얻는다. 생물체의 특성과 구조, 원리를 적용해서 방법을 찾는 생체모방기술(Biomimicry)은 지속 가능한 지구를 추구하는데 중요한 역할을 하고 있다. 식물과 동물, 산과 바다를 넘나들며 힌트가 되어주는 자연을 닮은 기술은 그 영역이 점점 더 다양해지는데 다음은 그중 몇 가지다.

▲ 거미줄 모사한 섬유, 스핀텍스 엔지니어(Spintex Engineering)

스파이더맨은 전 세계적으로 사랑받는 히어로 캐릭터다. 거미줄을 이용한 날렵한 몸놀림으로 대표되는 액션은 시각을 사로잡으며 어린이들의 상상력을 자극한다. 그리고 그 상상력은 현실을 좀 더 발전시키기도 한다.

영국 옥스퍼드 대학이 개발한 스핀텍스 엔지니어는 거미가 거미줄을 만드는 것을 모사한 섬유다. 섬유의 재료가 되는 액체 젤에 가혹한 화학 반응을 사용하지 않고도 실온에서 방적(紡績) 할 수 있는 기술로 거미의 방적돌기 능력과 유사하다.

스핀텍스의 공정은 합성 고분자 섬유보다 에너지 효율이 1000배가 높고 부산물로는 물 밖에 없기 때문에 지극히 친환경적이다. 이렇게 생산된 섬유는 고성능이면서 생분해성이고 생체 내에 축적되지 않는다. 지속 가능한 패션 섬유는 물론 항공 우주 및 자동차 산업, 생체 적합성 의료 섬유 등에도 활용될 수 있다는 평가를 받는다.

이 기술은 미국의 비영리 단체 생체모방연구소(Biomimicry Institute)가 선정한 ‘2021년 희망의 빛 상(2021 Ray of Hope Prize)’에서 300개 팀을 제치고 1위를 차지해서 상금 10만 달러를 받기도 했다.

▲ 달팽이관 원리, 소리까지 듣는 인공피부

울산과학기술원(UNIST)의 고현협(에너지화학공학과)·김재준(전기전자공학과) 교수팀은 최근 사람의 동작과 촉감은 물론 다양한 소리를 인식하는 인공 피부 기술을 개발했다고 밝혔다.

지난달 과학학술지 〈사이언스 어드밴시스(Science Advances)〉에 실린 논문을 통해 소개된 이 기술은 귓속 달팽이관이 소리를 주파수별로 구분해 받아들이는 원리를 응용해 인공 피부 센서에 적용했다. 달팽이관의 기저막처럼 두께와 다공성, 면적 등이 다른 센서 여러 개를 연속적으로 붙여 다양한 자극에 민감도를 높인 것. 평면 형태 센서보다 압력 민감도가 최대 8배 향상됐다는 평가다.

소리듣는 인공피부 센서 기반 기계 조종 기술의 특징과 응용 분야 /연구 이미지=UNIST 제공

연구팀은 센서를 활용해서 주파수를 이용한 아바타 로봇 손 제어기술과 스마트 햅틱 장갑 같은 응용기술을 선보였다. 특히, 아바타 로봇 손이 사용자의 움직임을 따라 하는 시연에서 유리·종이·실크 등 8가지 다른 물질의 질감을 93% 정확도로 인식하기도 했다.

연구팀은 “버튼이나 키보드를 누르는 대신 정보를 직관적으로 기계에 전달하는 사람-기계 인터페이스”라고 기술을 소개하며 가상현실(VR)·증강현실(AR)·사물 인터넷(IoT) 등 다양한 분야에 적용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.

▲ 홍합의 남다른 수중 접착력 모방, 고성능 무독성 접착제 ‘PCS’ 개발

거친 해양 환경 속에서도 바위 표면에 굳건히 붙어있는 홍합을 보면 어떤 힘으로 가능한 건지 궁금했을 것이다. 비밀은 바로 홍합 접착 단백질이다.

홍합의 접착력 /Mussel Polymers 갈무리

2019년에 설립된 ‘머셀 폴리머스(Mussel Polymers Inc, MPI)’는 홍합의 접착 단백질을 모방한 ‘폴리카테콜스티렌(Poly Catechol-Styrene, PCS)’이라는 고성능 무독성 접착제를 개발했다. 수중에서도 사용 가능하고 다른 수중 접착제에 비해 300% 더 강하다고 소개하며, 목재·강철·아크릴·우레판·애폭시·TPU(고무탄성 플라스틱) 등 다양한 재료에 적용 가능하다고 설명한다.

현재 해양생태계에 관한 큰 문제 중 하나인 암초 재건을 위해 새로운 산호를 부착하는데 이용되고 있다. 이와 함께 효과적인 코팅과 접착이 필요한 치과분야에도 적용될 예정이다. 사람의 입이라는 습환환경에서 치과 부품은 접착과 코팅의 지속성을 필요로 하면서 안전함이 필수적이기 때문에 PCS가 적합한 역할을 할 것으로 기대하고 있다.

케미컬뉴스 이민준 기자

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생체 모방 기술 사례에 대해 알아봅시다

생체 모방 기술 사례에 대해 알아보는 포스팅을 하겠습니다. 우리는 과학과 기술을 발전시키는 수단으로 생체 모방 기술을 적극 이용해야 합니다. 우리의 과학이나 기술보다 더 완벽하고 뛰어난 것이 자연이기 때문입니다. 그래서 자연을 관찰하여 원리를 알아내고 그것을 응용해 우리 삶이 더 풍요로우며, 자연이 파괴되지 않는 방향으로 과학과 기술이 발전해야 합니다. 다빈치는 ‘자연은 위대한 스승이다.’라고 한 말을 적극 따르는 생체 모방 기술의 사례들에 대해 살펴보겠습니다.

생체 모방 기술 사례 1. 거미줄 응용

거미줄은 강철보다 강하며 탄력이 좋습니다. 자연친화적이고요. 나일론처럼 불이 붙지도 않습니다. 거미줄을 추출하기 위해서 거미를 직접 이용하면 거미줄을 얼마 얻을 수 없습니다. 거미들은 영토전쟁을 하고 동족을 잡아먹기 때문에 사육하는 방식으로는 거미줄을 원하는 만큼 얻을 수 없습니다. 그래서 유전자를 조작한 염소들을 키워 염소젖에서 거미줄 단백질이 나오게 만들어 연구하고 있습니다. 거미염소에서 얻은 염소젖을 가공하면 거미줄을 얻을 수 있습니다. 실제 자연에서의 거미줄보다 강도가 더 약하기는 합니다. 이렇게 거미줄을 얻어 군사용, 산업용, 의료용등으로 응용을 연구하고 있습니다.

생체 모방 기술 사례 2. 홍합을 이용한 접착제

의료용으로 수중 접착제가 필요한데요. 아직 수중에서 접착력이 좋으면서, 인체에 무해한 만족스러운 접착제가 없습니다. 사람의 몸이나 눈에는 수분이 있어 이런 수분상태에서 접착이 잘되고 인체에 무해한 접착제를 의료계에서는 원하고 있습니다. 그것을 해결하기 위해 홍합을 연구했습니다. 홍합은 바닷물에서도 육지의 바위부분에 굉장히 세게 붙어있습니다. 그렇게 바다에서도 바위에 세게 붙어 있는 원리를 이용하여 수중 접착제를 개발하고 있습니다. 이런 수중 접착제는 피부가 찢어졌을 때 바늘로 꼬매지 않고 그냥 찢어진 부위를 수중 접착제로 붙이는 방식으로도 이용할 수 있습니다. 홍합성분이라 인체에도 무해합니다.

생체 모방 기술 사례 3. 연잎을 이용한 페인트 코팅제

연잎은 물이 아무리 많이 부어져도 물을 흡수하지 않고, 방수되어 물이 물방울 되어 밑으로 떨어집니다. 이런 연잎의 원리를 이용한 것이 벽에 페인트를 칠하고 코팅을 하면, 노상방뇨를 해도 소변이 벽에 흡수되지 않게 하는 것입니다. 또 연잎 원리를 이용하여 유리를 코팅하고 그 유리를 건물에 설치하면 비가 올 때 자동으로 유리가 청소되는 효과를 가질 수 있습니다.

생체 모방 기술 사례. 4 벌레잡이통풀 미끄러지는 원리 이용

벌레잡이통풀은 입구에서 기름성분도 굉장히 미끄러워지는데요 이렇게 기름도 미끄러운 성질과 연잎 원리를 이용하면 비가 올 때 자동 청소되는 정말 깨끗한 건물 유리를 만들 수 있습니다. 페인트 통이나 산업용으로 기름을 많이 사용하는 기계에 이 원리를 이용하면 페인트 통 안이나 산업용 기계, 선박 외부에 기름이나 오물이 묻지 않으면서 깔끔하게 장비를 사용 할 수 있습니다.

생체 모방 기술 사례 5. 문어 빨판

문어 빨판은 모두 아시는 것처럼 수중에서도 굉장히 강한 접착력을 가지고 있습니다. 이 빨판 원리를 이용하면 반도체 공정 같은 설비에서 물건을 깔끔하게 붙이고 떼는데 사용할 수 있고, 의료기기를 신체에 부착할 때 문어 빨판 원리를 이용하여 의료장비를 쉽게 신체에 붙일 수 있습니다.

생체 모방 기술 사례 6. 기타

해파리의 움직임과 헬륨 가스로 공중에서 자유 유영하는 로봇

새의 날갯짓과 움직임을 그대로 모방하여 에너지 효율이 좋은 나는 로봇

잠자리의 조용한 날갯짓을 응용한 공기청정기 팬

칼새의 날개를 응용한 헤어드라이어

해바라기 씨의 모양을 응용한 드럼세탁기 문

돌고래 꼬리의 움직임을 넣은 통돌이 세탁기

고양이의 혀의 원리를 이용한 쓰레기통

혹등고래의 앞지느러미 원리를 응용한 시스템 에어컨 팬

나비의 날개를 응용한 선풍기

이상 생체 모방 기술 사례에 대해 살펴보는 자리를 갖았습니다. 자기 제품의 차별화나 문제점을 해결하기 위해 자연과학자와 연결해 그런 해답을 가진 자연을 찾아내어 그 원리를 응용하면 더 뛰어난 제품이 될 것으로 생각됩니다. 행복하세요!!

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