Top 30 생체 모방 기술 사례 Quick Answer

생체모방기술 – 계명대학교 | KOCW 공개 강의

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자연의 모습을 본뜨다! 생체모방과 첨단 의료소재

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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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울산항만공사 공식 블로그

‘해양/수산’ LIVE 해양생물을 모방한 생체모방기술! 고누비 ・ URL 복사 본문 기타 기능 공유하기 신고하기 ‘생체모방기술(Biomimetics)’에 대해 들어보셨나요? 어렵게 느껴질 수도 있는 기술이지만 이미 실생활에서 바다생물을 모방한 사례들이 아주 많습니다. ​ 이번 시간에는 이러한 해양생물을 이용한 생체모방기술에 대해 알아보겠습니다. 1. 홍합이 분비하는 단백질 접착제, ‘족사’ 가느다란 흰 실처럼 보이는 족사 I 위키미디아 홍합은 ‘족사’라는 액체 단백질을 분비하는데요, 홍합 하나가 분비하는 족사의 양으로 약 125kg의 무게를 들어 올릴 수 있다고 합니다. ​ 또한, 족사는 접착력이 뛰어나 웬만한 화학 접착제보다 더 강력하고 재생 및 흉터 예방에 탁월한 효과가 있습니다. ​ 족사는 1만 마리의 홍합에서 1g의 접착제를 추출할 수 있을 정도로 미량으로만 생산된다는 단점이 있었지만, 오늘날에는 연구를 통해 대량 생산이 가능해졌습니다. 바위에 단단히 붙어있는 홍합 I pxhere 세포용 접착제, 의료용 접착제, 의료용 상처 회복제, 치과용 접착제로 활용하고 있으며, 내부 장기를 봉합하는 데도 매우 효과적이라고 합니다. (체내 수분 때문에 접착력이 떨어지는 기존의 화학접착제와는 달리 홍합접착제는 물에 젖을수록 더욱 강력한 접착력을 갖기 때문에 내부 장기의 수술 부위를 완전히 봉합할 수 있습니다.) ​ 홍합접착제는 의료용 봉합실을 사용했을 때와 달리, 면역반응을 일으키지도 않아 인체에 해가 없는데요. ​ 홍합접착제의 강하고 잘 늘어나는 성질은 인공 피부 개발 연구에도 사용될 예정이라고 합니다. ​ 포항공대 ‘차형준’ 교수팀이 세계 최초로 개발한 초강력 의료용 홍합접착제 I 포항공과대학교 2. 해파리 귀의 작동원리를 모방한 ‘재해예보 전자기기’ 해파리 I 픽사베이, 펙셀스 해파리는 폭풍우나 해일이 다가오면, 바람과 파도의 영향을 적게 받는 안전한 곳으로 급히 이동하는 행동을 보이는데요. 이 때문에 많은 생물공학자들이 해파리를 실험 대상으로 하고 있습니다. 해파리의 몸체를 조사한 결과, 해파리의 몸에 초음파를 감지하는 ‘청각기관’이 있다는 사실을 알게 되었는데요. ​ 해파리의 ‘귀’는 폭풍우가 발생하기 10~15시간 전 수중으로 전해오는 초음파(8~11㎐)를 감지하는 수준이라고 합니다. 해파리의 귀는 맨 끝 부분에 둥근 공이 붙어있는 가는 막대기 모양으로 생겼는데요. 내부에 액체가 들어 있는 공으로 초음파가 전달되고, 전달된 초음파는 거품 안에 있는 작은 돌을 통해서 신경에 전달됩니다. ​ 모스크바 대학의 생물공학자들은 해파리 귀의 작동원리를 모방하여 폭풍우를 자동으로 예보하는 전자장치를 개발했습니다. ​ 해파리의 귀를 모방한 이 전자장치는 약 10Hz(헤르츠, Hertz)의 공기 진동을 포착할 수 있으며 이 장치를 배에 고정해놓고 스위치를 올리면 메가폰이 천천히 회전하면서 폭풍우의 신호를 찾기 시작합니다. 신호가 포착되면 특수 장치에 의해 메가폰이 멈추고 대략 15시간 전에 어느 방향에서 폭풍우가 올 것인지 알려줍니다. ​ 참고 : http://www.ecumenicalpress.co.kr/article.html?no=61192 3. 해파리의 형광물질 에쿠오리아 빅토리아 해파리 I 플리커 1962년 일본의 해양생물학자인 ‘시모무라 오사무’는 해파리 ‘에쿠오리아 빅토리아(Aequorea Victoria)’의 형광 물질을 연구하는 도중 ‘녹색형광단백질(Green Fluorescent Protein, GFP)’을 처음 발견하게 됩니다. ​ 녹색형광단백질(GFP)은 ‘에쿼린(aequorin)’이라고 하는 해파리가 고유하게 내뿜는 청색광을 흡수해서 다시 녹색을 방출하여 청록빛으로 보이게 해줍니다. 쥐의 ‘녹색형광단백질’ I 위키미디아 녹색형광단백질(GFP)은 생명공학 분야에서 유용하게 쓰이고 있는데요. 예를 들어 유전자 실험 시 유전자의 발현 정도를 확인할 때 녹색형광단백질을 유전자에 붙여줌으로써 실시간으로 유전자의 발현 정도를 확인할 수 있게 해줍니다. ​ 세균 등에 녹색형광단백질을 붙여 어디로 이동하는지와, 얼마만큼 분열하는지 쉽게 확인하여 제약에 적용할 수 있다는 것이 대표적인 예입니다. ​ 녹색형광단백질을 사용하면 세포나 조직이 살아있는 상태에서 그 변화를 관찰할 수 있어서 생명공학실험 과정에서의 생명 윤리에 대한 문제도 해결할 수 있습니다. ​ 4. 전복 껍데기의 고분자구조를 응용해 만든 탱크의 외피 단단한 탄화갈슘 고분자 구조로 이루어져있는 전복 껍데기 I 플리커, 펙셀스 전복 껍데기는 아주 단단한 탄화칼슘 고분자 구조로 이루어져 매우 단단합니다. 그러나 분필은 전복 껍데기와 동일한 탄화칼슘으로 이루어져 있지만, 매우 쉽게 부서지는데요. ​ 이렇게 강도가 다른 것은 배열과 구조가 다르기 때문입니다. 이는 똑같은 탄소로 이루어진 다이아몬드와 흑연의 차이와 같은 원리이지요! ​ 전복 껍데기는 지름 10㎛* 두께 0.5㎛ 크기의 탄화칼슘 타일 수천 개가 겹겹이 쌓인 형태로 이루어져 있는데요. 각 타일은 단백질 접착제로 단단히 붙어있습니다. * ㎛: 마이크로미터(micrometer), 0.001mm 전복 껍데기 구조가 적용된 탱크 I (https://www.publicdomainpictures.net/) 과학자들은 이런 전복 껍데기의 구조를 응용하여 세라믹보다 2배 더 단단한 물질을 개발했는데요. ​ 이 물질을 이용하여 가벼우면서도 튼튼한 방탄복을 만들기도 하고, 탱크의 외피에 적용시켜 웬만한 공격에도 끄떡없는 단단한 탱크를 만들 수 있다고 합니다! 5. 상어 비늘의 ‘리블렛’을 응용해 만든 수영복, 비행기 무시무시한 상어 I 위키피디아 상어 피부의 미세돌기 ‘리블렛’ I 위키피디아 상어 피부를 표면에서 봤을 때, 매끄러울 것 같지만 사실은 그렇지 않다고하는데요. 현미경으로 확대해 보면, 지느러미 부위에 무수히 많은 갈비뼈 모양의 미세 돌기가 돋아나 있습니다. ​ 이것을 ‘리블렛’이라고 부르는데요, 10~100㎛ 크기의 미세 돌기는 아주 작지만 마찰저항을 감소시키는 중요한 역할을 합니다. ​ 리블렛과 물이 충돌하며 만들어내는 작은 소용돌이들은 큰 물줄기를 막아주는 ‘코팅제’ 역할을 해서 표면 마찰력을 줄여줍니다. ​ 상어 피부의 리블렛은 매끄러운 면일수록 유체 저항이 적다는 기존의 상식을 뒤엎는 놀라운 사실이었습니다. 이안 소프가 입은 상어비늘 수영복 I (http://all-the-swimmers.tumblr.com/) 상어 비늘의 거친 돌기 구조는 전신 수영복 제작에 접목되었는데요. 호주 수영선수 ‘이안 소프(Ian Thorpe)’는 2000년 시드니올림픽에 이 수영복을 입고 출전해 3관왕에 올랐다고 합니다.(이때 전신 수영복을 입은 선수들이 금메달 33개 중 28개를 휩쓸었습니다.) ​ 2008년 베이징올림픽에서도 세계신기록을 수립한 선수 25명 중 23명이 전신 수영복을 입고 있었는데요, 이후 전신 수영복은 지나치게 많은 신기록을 낸다는 이유로 ‘과학 도핑’으로 불리며 2010년부터 국제 대회에서 전면 금지하고 있습니다. 비행기(https://www.bionicsurface.com/) 전문가들은 이 원리를 비행기에도 적용할 수 있다고 설명했는데요. 압축 필름 형태로 만든 유사한 인조 돌기를 비행기 전체에 부착하면 공기 저항을 줄어들고 연료도 절약할 수 있다고 합니다. 6. 거북복 자동차 복어의 친척 가운데 ‘거북복’이라는 정말 특이하게 생긴 물고기가 있습니다. 몸통이 곡면이 아니라 각진 형태이기 때문인데요. ​ 몸의 형태가 거북 또는 상자처럼 생겨, 우리나라에서는 ‘거북복’, 영어로는 ‘박스피시(Box fish)’라고 부릅니다. 거북복(Box fish) I 플리커 그런데 이런 둔탁한 생김새에도 거북복은 유선형인 다른 물고기만큼이나 물의 저항을 덜 받는 것으로 알려졌습니다. ​ 몸의 모서리 네 곳이 약간 융기되어있고 주변에 작은 소용돌이를 일으키면서 항력(진행방향과 반대방향의 힘)을 상쇄시키기 때문에 몸의 안정성을 유지할 수 있습니다. ​ 또한, 거북복은 거의 제자리에서 불과 1초 만에 몸의 방향을 180도 돌릴 수 있는 뛰어난 조정능력이 있습니다. ​ 따라서 안정성과 조정력을 동시에 지닌 거북복의 능력에 대해 과학자들은 ‘거북복 헤엄 역설(boxfish swimming paradox)’이라는 이름을 붙였습니다. 메르세데스-벤츠와 마임러 크라이슬러가 생물공학적 디자인으로 설계한 차량 I 위키미디아, 메르세데스 벤츠 이러한 거북복의 몸 디자인에 영감을 받은 독일의 자동차회사 메르세데스-벤츠와 다임러-클라이슬러사가 생물공학적 디자인으로 설계한 새로운 개념의 차를 공동개발하기도 했습니다. ​ 7. 혹등고래 프로펠러 혹등고래와 지느러미 I 플리커 ‘웨일파워’는 고래의 지느러미로부터 아이디어를 낸 새로운 디자인의 풍력 터빈입니다. ​ 웨일파워의 연구원들은 고래의 지느러미에 나 있는 요철 형태의 돌기인 결절을 연구했습니다. 연구원들은 공기역학적 연구를 통해 이 돌기가 양력의 손실과 감속 현상을 방지하는 데 결정적인 역할을 한다는 것을 발견했는데요. 고래의 지느러미에 나 있는 요철 형태의 돌기 ‘결절’ I (https://asknature.org/) 풍력 터빈에 적용하는 테스트를 시행한 결과, 풍력 터빈의 성능이 두 배 가량 향상된 효율적인 터빈을 생산할 수 있다고 합니다. 풍력발전에 적용된 웨일파워 I (https://materia.nl/) 해양생물을 모방한 다양한 생체모방기술들! 아주 다양한 분야과 다양한 시설에서 쓰일 수 있다는 얘기를 들으니, 앞으로의 발전 가능성이 점점 더 궁금해집니다! ​ 지금까지 저와 함께 일곱 가지의 해양생물 생체모방기술에 대해 알아보았는데요, 많은 생체모방 기술들이 상용화되어 실생활에 접목되는 기술이 생활화되는 날이 빨리 왔으면 좋겠습니다! 지금까지 울산항 서포터즈 3기 조은율 이었습니다! 저희 울산항만공사 공식블로그에서는 다양한 이벤트도 진행 중이니, 참여하고 가세요~!! (모바일 상품권 마구마구 날립니다~~!!) ★이벤트★ UPA 퀴즈 2탄! 빈칸을 채워보아요~! 안녕하세요~ 울산항만공사입니다. 2주 전 ‘제1회 2018 캐치마인드 이벤트’를 진행했는데요… 그때, 제가 … blog.naver.com ​ 인쇄

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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