2017년 9월 28일 목요일

10 technologies inspired by nature

After 3.5 billion years of intensive R&D, nature has come up with some ingenious solutions for everything from defying gravity with stickiness to surviving a century-long dehydration using sugar. Cathal O'Connell has a rundown.



An SEM of Velcro shows its similarity to burdock hooks. – Science Photo Library

1. Velcro

In 1941, Swiss electrical engineer George de Mestral went hunting in the Alps and afterwards noticed his clothes, and his dog’s fur, were covered in burdock burrs. This mechanism of clinging to passing creatures is the burdock’s way of spreading seeds across greater distances.
Mestral put one of the burrs under a microscope and discovered the simple hooks which allowed it to cling to loops in his socks and in his dog’s hair.
The burdock improves distribution of its seeds using tiny hooks – just like velcro. – WIKICOMMONS
It gave him an idea and 10 years later, after countless experiments with hooks and loops of various materials, Mestral obtained a patent for a new fabric fastener, which we now know as Velcro.
The feet of the marbled velvet gecko have inspired a range of technological solutions to holding on to vertical surfaces. – Henry Cook/Getty Images

2. Gecko skin

The secret to geckos’ gravity defying grip turns out to be the rows of tiny hairs, called setae, on its toes. The hairs cling to any surface using the sticky van der Waals force, which only works at microscopic scales.
The advantage is a reversible, strong grip, without the need to deposit an adhesive. In recent years engineers have managed to reproduce similar setae from silicone, leading to myriad variations of gecko-skin technology.
Among them is a gizmo to allow human’s to climb a sheer glass wall, as well as robots able to pull objects hundreds of times their own weight and grippers for space repairs.
The gecko-inspired LEMUR clings on in this artist's impression of NASA technology. – NASA/JPL-Caltech
A future robot called LEMUR (Limbed Excursion Mechanical Utility Robot), with very gecko-like feet could inspect and maintain installations on the International Space Station.
The tubercles, or bumps, on their fins help give humpback whales their surprising agility and provide similar benefits for wind turbines. – Getty Images

3. Whale fin wind-turbine

In a Boston gift shop Frank Fish, a biologist, noticed the bumps running along the fins on a statue of a humpback whale, and assumed the artist had made a mistake.
Instead of protruding from the back edge of the fins, the bumps ran along the front edge. But the artist was right. The row of warty ridges create tiny vortices which help the fin cut through the water, and explain the humpback’s surprising agility.
After studying this "tubercle effect", Fish discovered that adding rows of bumps to turbine blades reduced drag and noise, and increased their efficiency.
The uneven edge of a prototype wind turbine blade that takes its lead from the whale – Whalepower Corporation
The whale has not only inspired the new shape of turbine blade but even the name of the company that makes them, Canada-based Whalepower Corporation.
Dennis Conner's America’s Cup boat Stars and Stripes during challenger races in Auckland 2002. Its ‘sharkskin’ hull gave it the edge. – Nick Wilson/Getty Images

4. Shark skin

Inspired by the microscopic scales on shark-skin, NASA scientists developed a drag-reducing coating for ships. The technology helped the Stars and Stripes win the America’s Cup sailing race in 1987.
The coating was so successful, the competition deemed it an unfair advantage and banned the technology, before later reinstating it.
The scales are also constantly moving, which stops micro-organisms from clinging to the hull, reducing the need for anti-fouling treatments.
The kingfisher can enter the water with scarcely a splash, and the bullet train follows its lead. – Getty Images

5. Bullet train kingfisher

A bullet train emerging from a tunnel generates a tremendous thunderclap due to the air-pressure which builds up in front of the nose.
In the 1990s a Japanese engineer Eiji Nakatsu noticed that kingfisher birds could dive into the water with barely a splash.
A Central Japan Railway Shinkansen bullet train arrives at Tokyo Station. It owes its looks to the kingfisher. – Tomohiro Ohsumi/Getty Images.
His design for the Shinkansen bullet train, based on the kingfisher beak, not only reduced the noise of the train but was also more aerodynamic, using less power and enabling higher speeds.
The maple leaf in its circular flight inspired a new drone design. – Getty Images

6. Flight – maple seed

With their rotor-like design, maple seeds whirl in the air as they fall – the lift generated through the spinning allows them to travel much further from the tree.
Lockheed Martin adapted this design for a single rotor drone called Samarai. Its simple design has only two moving parts, and so can be easily miniaturised.
The US Advanced Research Projects Agency (DARPA) has taken on the project and aims to produce the drone to be used for reconnaissance in tight quarters.

7. Leggy robots

On uneven terrain, such as a wild mountainside or the rugged terrain of Mars, legs can get you places wheels can’t go. DARPA has developed a series of four-legged robots based on gods and cheetahs for sprinting to deliver supplies on a battlefield.
Meanwhile NASA is working on a six-legged robot called ATHLETE (All-Terrain Hex-Legged Extra-Terrestrial Explorer). ATHLETE has a wheel at the end of each leg, so can roll when the going’s good – and when it runs against an obstacle it can lock down the wheels and step neatly over.
The hive mentality is helping with the way we use power across the grid. – Getty Images

8. Hive mind grid

Though nobody ever tells them what to do, bees in a hive instinctively sense what jobs need doing and get onto it – based simply on where in the hive they are and what other bees are doing around them.
Regen Energy in the US adapted this so-called "swarm logic" to improve the efficiency of energy grids. Instead of using a central system to redirect power loads, the company’s places local controllers that communicate wirelessly with one another, and figure out on their own where power needs to go.
A water bear, or tardigrade, can live for many years in hostile conditions, which inspired a new technique for preserving live vaccines. – Eye of Science/Getty Images

9. Candy-coated vaccines

Tardigrades are tiny, tough eight-legged micro-animals that live in water. Without water tardigrades dry out but have evolved the amazing ability to reanimate after over more than 100 years.
They do this by coating their molecular machinery, such as DNA and proteins, in a sugar.
Inspired by this idea, several biotech companies, including Biomatrica, from San Diego, and Nova Laboratories, from England, adapted the process to protect live vaccines so that they no longer need to be refrigerated.
The technology "shrink wraps" the vaccines in a glassy film of sugars to keep them effective for six months without refrigeration.
The elaborate chimney cooling system at the Eastgate centre in Harare takes its inspiration from termite mounds. – Eastgate Centre

10. Termite buildings

African termites have evolved some clever designs to keep their mounds at a nearly constant temperature, though, outside, it may swing from 40 °C in the day to less than 2°C at night.
Termites construct their mounds with a passive cooling system using a series of vents along the top and sides. Wind blows hot air from underground chambers through the vents and out of the structure, and the termites can even control the airflow by opening or blocking tunnels.
Architect Mick Pearce used a similar strategy when he designed the Eastgate centre, an office complex in Harare, Zimbabwe. Warm air vents out the row of chimneys at the top of the building, while cooler air is drawn up from underground.
The building stays cool without air conditioning and so uses only a 10th of the energy of a conventional building of the same size.
A termite mound catches the evening sun in the Masai Mara Game Reserve, Kenya. – Dan Kitwood/Getty Images

Cosmos

6 groundbreaking examples of tech innovations inspired by biomimicry

Da Vinci was definitely on to something when he observed birds and copied their forms to create his own wings for flight. Although biomimicry wasn’t ultimately successful in helping Da Vinci achieve flight, it has a solid track record for getting engineers, thinkers, and inventors to approach problems in design and technology by returning to nature and its processes. Here are six examples of how observing and imitating nature lead to designs that can improve issues in the modern world.

wind turbine, wind energy, hummingbird, biomimicry

Wind turbine with hummingbird wings

Wind turbines typically incorporate a pinwheel shape, but a breakthrough design from Tyer Wind has cleverly tapped into the gravity-defying hovering abilities of hummingbirds. While it may look like these feather-light birds are furiously flapping their wings in a linear fashion, they actually use a figure eight configuration. The design for this new turbine uses wings instead of traditional rotating blades to turn energy from wind into green electricity through 3-D Aouinian Kinematics.


dewpoint, water security, water, cacti

Cactus water collector

After observing certain cacti’s ability to collect and store water particles from fog, students from the School of the Art Institute of Chicago were inspired to create Dewpoint, a design with real-world applications beyond the desert. By recreating a cactus’s prong-like spines and attaching them to a panel that can absorb, collect, and efficiently save water, the team is beginning to explore water security possibilities for a world that is increasingly facing drought, desertification, and disappearing water sources.


bridge, biomimicry, nature design, optimal arch bridge

Stable and durable bridge

Anyone who has ever watched a little leaf on a tree take hit after hit from wind or pelting rain (or perhaps a child with a stick) and still persist knows that surprising hidden strength can be found in many of Mother Nature’s designs. Wanda Lewis has been studying that idea for 25 years, looking specifically at how examining the ways that fragile elements in nature respond to external forces and stress can benefit the structure of a modern, man-made bridge. Lewis developed a mathematical model for bridge design that would take into consideration modern stressors such as traffic and extreme weather conditions. Lewis’s “form-finding” would enable the creation of bridges that are safer, more durable, and long-lasting by using a previously elusive optimal arch.


robot caterpillar, light-sensitive, light-activated motion technology, biomimicry

Light-sensitive robot caterpillar

What may look like a tiny piece of wavy plastic (or perhaps a miniaturized piece of bacon) is actually a robot that can carry loads up to 10 times larger than itself. With caterpillars as inspiration, physics researchers in Poland created this 15 millimeter long critter which is crafted from light-sensitive Liquid Crystalline Elastomers. Mimicking the wave-like motions of a moving caterpillar, this soft robot can also go up a slope or squeeze into a small space. Watch this little robot move in a surprisingly meditative video.



artificial photosynthesis, solar power, clean energy, hydrogen fuel

Artificial leaf

Artificial photosynthesis has been around for over a century, but Caltech’s Joint Center for Artificial Photosynthesis has found a way to mimic the natural process and safely, effectively, and affordably produce and store energy using the sun. The group’s artificial leaf consists of two electrodes (one that generates hydrogen gas, the other that generates oxygen gas), as well as a plastic membrane that keeps the collected gases separate. The Caltech crew is working on scaling up the design, but their innovation shows promise for creating a system that uses only sunlight, water, and carbon dioxide to produce hydrogen fuels that can be utilized as needed.




biomimicry, bullet train, design by nature, transportation

Avian-inspired train

It’s a bird…it’s a train…it’s kind of both: a bullet train whose design was partially inspired by features of an owl and a kingfisher. Engineer, general manager of the tech development department for Japan’s bullet trains, and avid bird-watcher Eiji Nakatsu wanted to make his trains both faster and quieter. He first employed his observations about the noise-dampening feather parts of an owl to reduce the sound effects of the trains as they whizzed through neighborhoods and tunnels. Later, he observed that the streamlined shape of the kingfisher’s bill could be used in a new train design to further reduce noise (including a persistent sonic boom effect) and decrease necessary fuel amounts, all while reducing travel time.

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prosthetic arm

Mother nature has perfected the biomechanics of everything from tiny leaf cells to whale fins over millennia, adapting their functions to be as efficient and effective as possible for each particular set of circumstances and environments. So it’s no surprise that designers, architects and engineers are taking cues from nature when they set out to create buildings, trains, prosthetics, robots and fashionable accessories. Check out these 9 cool examples of biomimicry in design and technology as well as our previous series: designs inspired by the seaplants and insects.
Gecko Climbing Feet
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Stanford engineers climb walls using gecko-inspired climbing device...

How do geckos climb up vertical surfaces without falling off? The secret lies within tiny little hairs covering their toes. Researchers have managed to mimic the biomechanics of gecko feet in a pair of climbing pads capable of supporting a human’s weight. Each pad is covered with adhesive tiles bearing sawtooth-shaped polymer structures about the width of a human hair that create an adhesion force when they’re pulled on.
Kingfisher-Inspired Bullet Train
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biomimicry kingfisher bullet train

The fastest train in the world at speeds of up to 200 miles per hour, Japan’s Shinkansen Bullet Train was a marvel of modern technology. But there was one major problem after its initial debut: noise. Each time the train emerged from the tunnel, it caused a change in air pressure that caused thunder-like sounds that were a nuisance from a quarter of a mile away. The train’s chief engineer, a bird-watcher, had an idea: taking inspiration from the shape of a bird’s beak to make it more aerodynamic. The resulting design was based on the narrow profile of a kingfisher’s beak, resulting in a quieter train that also consumes 15% less electricity and goes 10% faster than before.
Baobab Tree Inspired Treehouses
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biomimicry treehouses 2

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biomimicry baobab tree

The beautiful Embryo Treehouse by Antony Gibbon Designs aims to look like a part of the tree that it uses for support, wrapping around the trunk like a natural growth. The shape of this beautiful treehouse closely resembles that of the baobab tree, which has a massive, swollen-looking trunk. Not only does it honor nature in its appearance, it also has a very small impact on its forest environment, attaching with a set of braces so the tree can continue to grow.
Armadillo Backpack
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biomimicry armadillo backpack

The hide of an armadillo is rigid yet flexible, offering protection but enabling the animals to remain nimble. This backpack from Cylus and others in the Pangolin collection take cues from the scaled mammals of the Manidae family, joining sections of recycled rubber inner tubes around a central axis to make them durable and adaptable.
Survivor-Locating Spider
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biomimicry survivor spider

The ability to squeeze through tight spaces and turn on a dime makes the spider an ideal model for lifesaving robots that could make their way through rubble after a disaster to locate survivors. Normally, seeing a gigantic arthropod making its way toward you would be terrifying, but in this case, it would be a relief. Researchers at Germany’s Frauenhofer Institute say this robot can be cheaply reproduced using 3D printers. “This high-tech assistant is still a prototype, but future plans envision its use as an exploratory tool in environments that are too hazardous for humans, or too difficult to get to. After natural catastrophes and industrial or reactor accidents, or in fire department sorties, it can help responders, for instance by broadcasting live images or tracking down hazards or leaking gas.”
Biomimicry Heliotrope Follows the Movements of the Sun
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biomimicry heliotrope flowers

Did you know that sunflowers turn themselves throughout the day to follow the movement of the sun? This lighting device by designer Jonathan Ota copies that phenomenon with silvery artificial flowers with LED light bulbs in the center. Powered by solar panels, the flowers are fitted with tiny pistons that use evaporation of alcohol to move the petals, closing them up during the day and opening them at night.
Tree-Climbing Robot Mimics Inch Worms
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biomimicry inchworm robot 2

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biomimicry inchworm robot

The Treebot uses tactile sensors to find its way up a tree trunk in the same way that inchworms do, feeling around to determine where it should grasp for the best grip. It can even haul loads up sharply inclined branches. Say the creators, “The objective of the development of Treebot is to assist or replace human being in performing forestry tasks on trees. Although the information obtained by tactile sensors is not rich, it is reliable. Furthermore, the processing of tactile information is much simpler than that of visual information.”
Bird Skull Shoe by Mariek Ratsma
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bird skull shoe

The aesthetics and shape of a bird skull inspired this highly unusual, lightweight, sculptural shoe design by Mariek Ratsma. The Dutch designer collaborated with architect Kostika Spaho to create ‘Biomimicry Shoe,’ which offers lots of support with less material for “optimal efficiency, strength and elegance.”
Tentacle-Inspired Prosthetic Arm
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prosthetic arm 2

Why would a prosthetic arm for humans take its shape from the appendage of another creature? For Kaylene Kau, designer of this fascinating concept, it comes down to study of the way prosthetics are actually used. Says Kau, “Through extensive research I found that the prosthetic functioned as an assistant to the dominant functioning hand. The prosthetic needed to be both flexible and adjustable in order to accommodate a variety of different grips.” Tentacles provided an ideal model, gripping objects with a simple curling motion.
webecoist.momtastic.com

생체모방로봇·4D프린팅 등 10년을 이끌 10대 기술 발표

한국과학기술정보연구원(KISTI)은 올해의 10대 미래유망기술 중 하나로 생체모방로봇을 선정했다. 사진은 2012년 여수세계박람회 당시 공개된 로봇물고기 '피로(FIRO)'. / 조선일보DB
▲ 한국과학기술정보연구원(KISTI)은 올해의 10대 미래유망기술 중 하나로 생체모방로봇을 선정했다. 사진은 2012년 여수세계박람회 당시 공개된 로봇물고기 '피로(FIRO)'. / 조선일보DB
곤충과 물고기를 모방한 로봇과 3D 프린터보다 한 걸음 더 나간 4D 프린터, 사람이 없어도 선박이나 자동차를 조작하는 무인항법기술이 앞으로10년간 세상을 뒤흔들 유망기술에 선정됐다.

한국과학기술정보연구원(KISTI)은 11일 서울 삼성동 코엑스에서 ‘2014 미래유망기술세미나’를 열고 10대 미래유망기술을 발표했다. KISTI는 2006년 처음 이 세미나를 개최한 이래 해마다 10대 미래유망기술을 선정해 발표하고 있다. 올해 세미나에는 2000명 이상의 산학연 관계자들이 참석해 각 유망기술의 발전방향과 전략을 공유했다.

미래유망기술은 빅데이터 분석을 통해 8000여개의 후보군을 추출한 뒤 각 분야 전문가들로 구성된 그룹이 사회‧경제적 파급력과 트렌드 부합성, 급부상성 등의 핵심 기준을 고려해 최종 선정한다.

올해는 국가 미래상을 건강한 사회, 스마트한 사회, 창의적 융합사회, 안전한 사회, 지속가능한 자연과 사회 등 5가지로 분류한 후 각 미래상을 구현할 신기술을 부문별로 2개씩 뽑았다. 먼저 건강한 사회 부문에서는 ‘자가면역질환 치료기술(Autoimmune Therapeutics)’과 ‘광유전학기술(Optogenetics)’이 뽑혔다. 자가면역질환 치료기술은 천식, 궤양성 대장염, 원형탈모 등 인체의 면역체계에 문제가 생겨 나타나는 자가면역질환을 치유하는 의료기술이다. 광유전학은 빛을 이용해 유전적으로 조작된 신경세포를 선택적으로 활성하거나 억제하는 기술로 주목된다.

스마트한 사회 부문에서 선정된 ‘생체모방로봇(Biomimetic robot)’은 곤충이나 물고기의 구조, 움직임 원리를 모방해 각종 로봇이나 도구를 만들어내는 기술로 산업계나 군사 분야에서 널리 쓰인다. 최근 논란이 된 로봇물고기도 생체모방로봇의 일종이다. 함께 선정된 ‘학습분석기술(Learning analytics)’은 학습과정에서 발생하는 데이터들을 분석해 효과적인 학습모델을 구축하는 기술이다.

창의적 융합사회를 구현시켜 줄 기술에는 ‘클라우드환경 보안기술’과 ‘4D 프린팅’이 뽑혔다. 이중 4D 프린팅은 기존의 3D 프린팅에 ‘자가 변환(self transformation)’이라는 기능을 추가했다. ‘자가 변환’은 온도가 변하거나 충격이 가해질 때 물질이 스스로 성질에 변화를 일으켜 조립되는 현상이다.

안전한 사회 부문에서는 차량이 주행 중 각종 도로 인프라나 다른 차량 등과 수시로 교통 정보를 교환하는 ‘지능형 교통시스템 V2X 기술’이 선정됐다. 또 조종하는 사람이 직접 타지 않고 무인선박이나 무인자동차, 무인비행기를 조종하는 기술인 ‘무인수송기술(Unmanned Vehicles)’도 함께 선정됐다. 마지막으로 지속가능한 자연과 사회 부문에서는 고용량과 안정성을 고루 갖춘 차세대 전지인 ‘리튬-황 전지(Lithium-Sulfur Battery)’와 군사분야 등에서 투명망또 개발에 적용하고 있는 ‘메타물질 응용기술(Meta-material)’이 꼽혔다.

유재영 KISTI 기술정보분석센터장은 “향후 10년간 큰 파급력을 가질 기술을 엄선했다”며 “중소기업과 최신기술 트렌드를 공유해 이들의 성장에 도움을 주고 싶다”고 말했다.

2014 KISTI 미래유망기술 10선 / 한국과학기술정보연구원 제공
▲ 2014 KISTI 미래유망기술 10선 / 한국과학기술정보연구원
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로봇의 한계 뛰어넘는 ‘생체모방 로봇’


유리벽 달라붙고 초당 120번의 날갯짓…도마뱀·파리 등 움직임에서 실마리

(사진) 페스토(FESTO)가 개발한 개미 로봇 바이오닉 앤츠(Bionic ANTs)./ 연합뉴스

[전승우 LG경제연구원 책임연구원] 인간보다 월등히 뛰어난 능력을 지닌 생명체의 움직임은 언제나 인간의 주요 연구 대상이었다. 칼·도끼·활 등 원초적인 도구에서부터 비행기나 잠수함 등 첨단 기기에 이르기까지 여러 발명이 탄생하는 과정에서 생명체의 관찰 및 모방이 크게 기여했다.

따라서 생체 모방은 생명체의 작동 메커니즘을 정확하게 이해하고 이를 토대로 실제와 거의 동일하거나 혹은 더 나은 성능을 구현하는 것을 목표로 한다. 다양한 과학 분야에서 생체 모방 시도가 계속되고 있는 가운데, 특히 ‘생체 모방을 기반으로 로봇(Biomimetic robot)’을 만들려는 연구 활동이 큰 관심을 끌고 있다.

생체모방로봇이 각광받는 이유는 기존 로봇의 기능적 한계를 극복할 수 있는 가능성을 보여 줬기 때문이다. 바퀴를 사용해 이동하거나 제한된 동작만을 수행할 수 있는 팔다리를 가진 로봇은 고난도 작업 환경 적응력이 떨어진다.

하지만 생명체의 고유한 특성은 생존 활동에 최적화됐기 때문에 기존 로봇 기술이 풀기 어려운 문제 해결의 실마리를 줄 수 있다.

◆ 새로운 기술혁신 방법론으로 ‘주목’
그동안 꾸준한 연구를 토대로 생명체에 대한 신비가 많이 축적됐음에도 불구하고 예전에는 이를 효과적으로 구현할 수 없었다. 하지만 로봇을 만들 수 있는 정보기술(IT)이 하루가 다르게 발전하면서 이전에는 모방이 어려웠던 분야에서까지 세부적으로 구현할 수 있게 됐다.

게다가 바이오·나노·멤스(MEMS : 미세전자기계시스템) 등 여러 기술이 접목되면서 예전에는 실험실 연구 수준에 그쳤던 생체모방로봇이 이른 시일 내 많은 산업에 적용될 것이라는 전망이 힘을 얻고 있다.

현재 선진국 학계를 중심으로 생체모방로봇 기술이 활발하게 연구되고 있다. 가장 유명한 생체모방로봇 중 하나는 바로 마크 커코스키 스탠퍼드대 교수가 2006년 도마뱀의 움직임을 모방해 개발한 스티키봇(Sticky bot)이다. 도마뱀은 벽에 쉽게 달라붙을 수 있고 천장에 거꾸로 매달린 상태로 이동할 수 있다.

커코스키 교수는 도마뱀이 자유자재로 움직이는 신체의 비밀을 연구했고 이를 그대로 로봇으로 재현했다. 시사 주간지 타임이 2006년 최고의 발명품으로 선정하기도 했던 스티키봇은 이후에도 꾸준한 연구·개발(R&D)을 통해 유리와 대리석 등 미끄러운 재질로 만들어진 벽도 이동할 수 있을 정도로 성능이 발전했다.

로버트 우드 하버드대 교수는 2007년 파리를 닮은 초소형 로봇을 개발했다. 날개 길이 3cm, 무게 0.056g에 불과한 이 로봇은 파리가 날개를 움직이는 방식을 그대로 모방하기 위해 압전 소자를 사용했고 초당 약 120번의 날갯짓을 할 수 있도록 고안됐다.

파리로봇은 유선으로 전기를 공급받고 직진과 수직 상승 정도의 간단한 비행만 할 수 있는 수준이었지만 날개를 퍼덕이면서 비행하는 곤충의 움직임을 정교하게 모방한 로봇이라는 점에서 발표 당시 큰 화제를 모았다.

미국방위고등연구계획국(DARPA)의 지원을 받으며 곤충 로봇 개발을 계속한 그의 연구팀은 2013년, 곤충처럼 자유롭게 비행하다가 벽에 붙어 휴식을 취할 수 있는 로보비(RoboBee)를 선보여 곤충로봇의 새로운 가능성을 보여 줬다.

최근 조지아공대·카네기멜론대·클렘슨대의 공동 연구팀은 물에서 육지로 올라올 수 있는 망둥이를 모사한 머디봇(Muddy Bot)을 개발했다. 망둥이의 지느러미와 꼬리를 그대로 모방한 이 로봇은 망둥이의 동작 메커니즘을 모방해 경사진 모래 언덕을 오를 수 있다.

연구팀은 이 로봇을 활용해 물에서 살던 동물들이 육지로 올라올 수 있게 된 진화의 과정을 연구하는 한편 물과 육지를 자유롭게 다닐 수 있는 로봇을 만들 수 있는 기술도 얻을 수 있을 것으로 기대하고 있다.

상용화까지는 아직 이른 수준이지만 산업계에서도 생체모방로봇에 큰 관심을 보이고 있다. 많은 기업들이 기존 로봇의 문제점을 극복하기 위해 생명체의 원리를 로봇에 적용하는 실험을 계속하고 있다.

특히 인터넷 기업 구글이 인수했지만 최근 매각을 추진 중인 로봇 기업 보스턴다이내믹스는 동물의 움직임을 모방한 여러 종류의 생체모방로봇을 선보이면서 전 세계적으로 화제를 불러일으켰다.

보스턴다이내믹스가 만든 스폿(Spot)이라는 로봇은 개와 고양이 등 네 발로 걷는 동물의 이동 방식을 그대로 모방했다. 스폿은 장애물을 능숙하게 피하고 바퀴로 다니기 힘든 지형을 자유롭게 다닐 수 있고 쓰러져도 스스로 일어나는 것까지 동물의 움직임을 그대로 재현할 수 있다.

또한 보스턴다이내믹스는 마치 사람처럼 두 발로 보행할 수 있고 무거운 물체도 두 팔로 들어 올릴 수 있는 휴머노이드 로봇 아틀라스(Atlas)를 선보이기도 했다.



◆ 동물이나 새처럼 로봇이 넘고, 날고
독일의 전자 부품 기업 페스토 역시 각종 생체모방로봇의 비즈니스 가능성을 타진하고 있는 대표적인 기업이다. 1990년대부터 생체 모방에 관심을 가져 온 페스토는 2011년 갈매기의 비행 움직임을 그대로 모방한 스마트버드(Smart Bird)라는 로봇을 출시했다.

스마트버드는 탄소섬유 등 가볍고 튼튼한 소재를 사용해 날개를 편 길이가 2m나 되지만 무게는 450g 수준으로 가볍다. 또한 갈매기가 하늘을 날 때 움직이는 메커니즘을 그대로 모방해 에너지 소모를 최소화하면서 목적지까지 비행할 수 있도록 제작됐다.

최근 페스토는 개미가 이동하는 메커니즘을 본뜬 곤충로봇인 바이오닉 앤츠(Bionic ANTs)도 선보였다. 3차원 스테레오 카메라와 소형 건전지, 위성항법장치(GPS) 등 첨단 IT가 적용된 바이오닉 앤츠는 주변 지형을 파악하고 동료들과 부딪치지 않게 움직이면서 물체를 나를 수 있다.

게다가 실제 무리를 지어 다니는 개미처럼 여러 개체가 군집으로 이동하면서 협력해 작업을 수행할 수 있다. 페스토는 바이오닉 앤츠를 통해 얻은 기술을 바탕으로 산업 현장에 사용될 수 있는 다양한 협동 로봇을 만들 수 있을 것으로 기대하고 있다.

향후에도 자연의 신비를 이용해 인간이 담당하기 어려운 업무를 수행할 수 있는 로봇을 만들기 위한 노력은 계속될 것으로 보인다.

특히 생명체의 움직임 및 외관 특징을 모방하는 수준을 넘어 고유의 물질 구조 등 고차원의 특성을 연구하고 이를 활용해 새로운 형태의 로봇을 만들려는 시도도 꾸준히 이어질 것으로 예상된다.

따라서 미래에는 움직임은 물론 물질 소재, 인지 및 판단력 등 여러 부문에 걸쳐 생명체를 정교하게 모방할 수 있는 로봇이 등장하게 될 가능성이 높다. 생체모방로봇의 응용 분야는 재난 구조 및 오지 탐사, 정찰과 환자 재활 등 다양하게 확대될 것으로 예상된다.

특히 전 세계적으로 로봇을 만들기 위한 기술 개발 및 서비스 비즈니스가 글로벌 경제의 주요 이슈로 부상하면서 생체모방로봇 관련 시장도 빠르게 확산될 가능성이 높다.

생체모방로봇의 잠재력에 주목한 여러 선진국들은 생체모방로봇의 주도권 확보를 위한 연구·개발에 나서고 있다. 미국·유럽·일본 등 주요 선진국들은 생체모방로봇을 미래 핵심 기술로 선정하고 시장 선점을 위한 각종 기술 개발 및 상용화 활동을 적극적으로 지원하고 있다.

한국과학기술정보연구원(KISTI) 역시 2014년 생체모방로봇을 파급효과가 높은 미래 유망 기술의 하나로 선정하기도 했다.

생체모방로봇은 생물학·물리학·기계·IT·바이오 등 광범위한 과학 및 공학 지식의 융합이 요구되기 때문에 생체모방로봇을 개발하기 위한 학계와 산업계의 공동 대응이 주요 과제로 부각될 것으로 보인다.
한국경제매거진

자연 베끼기 ‘생체모방 혁명’ 열풍을 파헤치다


새 떼는 극도로 무질서해 보이지만 새들끼리 충돌하는 경우는 거의 없다. 자율적인 움직임을 통해 그들만의 질서를 이뤄내기 때문이다. 수학적으로 이를 증명한 ‘군집이론’은 사회학과 공학의 다양한 분야에 활용된다. 그래픽=최정미 디자이너 soo0313@donga.com

“자연을 지배하거나 ‘개조’하는 데 익숙한 사회에서 이렇게 공손한 모방은 전혀 새로운 접근 방법으로, 거의 혁명에 가깝다. 산업혁명과 달리 ‘생체모방 혁명’은 우리가 자연에서 채취한 것이 아니라 우리가 어머니 격인 자연으로부터 배운 것을 기반으로 하여 새로운 시대를 여는 것이다.” ―재닌 베니어스 ‘생체모방, 자연에서 영감을 얻는 혁신’(1997년) 중에서

   세계적 디자인상을 휩쓸고 있는 배상민 KAIST 교수(산업디자인학)는 자연을 곧 ‘스승’으로 여긴다. 그는 1997년 파슨스디자인학교 졸업 당시 ‘사운드 펌프’를 만들어 일약 스타로 떠올랐다. 사람의 심장이 피를 뿜어내는 것을 오디오의 증폭기에 응용한 작품이었다. 미국산업디자인협회(IDSA) 상까지 받은 그는 27세 때 파격적으로 모교 교수로 채용됐다. 그 후로도 그는 벌집 모양을 본뜬 천연 아로마 가습기 등 자연에서 영감을 얻은 작품들을 쏟아냈다. 배 교수는 “바이오 디자인은 오래전부터 영감의 원천이 돼 왔다”며 “미적 측면에서 형태를 본뜨는 것도 가능하지만 자연에서 기능이나 시스템 자체를 모방해 성공한 사례도 많다”고 말했다.


   비교적 ‘신입’에 속하는 인간이 수십억 년 된 자연에 의지하는 건 전혀 이상할 게 없다. 그런데 자연을 모방하는 행위가 유행처럼 번진 건 최근에 이르러서다. 게다가 마치 전에 없던 새로운 사상이 도래한 것처럼 시끌벅적하다. ‘생체모방(Biomimicry)’ ‘생체모방기술(Biomimetics)’ ‘생물영감(Bioinspiration)’ 등 이름도 여러 개다. 신소재개발 연구실, 건축설계사무소, 디자인개발실, 심지어 이동통신기술 연구소까지 자연을 베끼는 데 혈안이 돼 있다. 왜 그럴까. 왜 이제야 사람들은 자연으로 눈을 돌리기 시작했을까. 그 대답 역시 자연에 있다.



왜 자연인가 1: 자율적이다

   수만, 수십만 마리의 새가 한꺼번에 날아올라 군무를 추면 그야말로 장관을 이룬다. 물고기 떼가 바다를 새카맣게 수놓으며 이동하는 장면 역시 그렇다. 어떻게 그 많은 개체가 서로 부딪히지 않으면서 일정한 궤도를 이동할 수 있을까.


   무질서한 생물 집단이 이뤄내는 질서화된 운동을 ‘군집(Flocking)현상’이라고 부른다. 각 개체는 △서로 일정하게 떨어져 있고(분리성) △주변 개체들이 이동하는 방향의 평균값으로 이동하며(정렬성) △주변 개체들로부터 낙오되지 않아야(결합성) 한다. 펠리페 쿠커와 스티븐 스메일은 2007년 이를 수학적으로(CS 모델) 증명했다.


   군집운동의 핵심은 ‘자율성’에 있다. 새나 물고기 떼에는 명령을 내리는 대장이 존재하지 않는다. 각 객체들이 서로 간단한 정보만 교환한다. 그러나 결과적으로는 질서를 유지하면서 효율적으로 이동한다. 이정륜 중앙대 교수(전자전기공학)는 여기에 복잡한 네트워크 환경을 효율적으로 운용할 열쇠가 숨어 있다고 본다. 우리가 지금도 휴대전화를 쓰다 보면 롱텀에볼루션(LTE), 무선랜(Wi-Fi), 블루투스 등 다양한 망을 넘나들게 된다. 앞으로는 이런 네트워크 환경이 더 복잡해질 것이다. 이 교수는 자율적인 데이터 처리가 필수라고 했다.


   “많은 네트워크가 혼재하면 그 사이에 다양한 역학관계가 생기죠. 현재와 같은 중앙 집중적 방식으로는 효율성이 크게 떨어집니다. 각 노드(기지국)가 데이터를 자율적으로 분산 처리해야 하는 거죠. 그 알고리즘을 바로 군집이론에서 가져온 겁니다.” 초기 단계이지만, 국내 한 이동통신사의 네트워크 기술인 ‘워프(WARP)’가 이와 비슷한 경우다.


   군집이론은 무인폭격기에서도 사용된다. 무인폭격기의 단점은 실을 수 있는 폭탄 양이 적다는 것. 그래서 큰 타격을 입히려면 3, 4대가 동시에 출격해야 한다. 그런데 조종사 3, 4명이 동시에 원격으로 조종하면 무인폭격기가 서로 충돌할 위험이 크다. 새들처럼 군집비행이 필요한 것이다. 한 대만 원격 조종을 하고 나머지는 그 비행기와 정보를 주고받으며 날도록 설계하는 게 해답이다.


▼심장 본뜬 오디오…도마뱀 발바닥 접착제…자연이 과학이다▼


   생체모방 알고리즘 중 가장 유명한 것은 ‘개미집단 최적화(Ant Colony Optimization)’다. 개미는 먹이와 집 사이를 오갈 때 길을 잃지 않기 위해 페로몬이라는 화학물질을 땅에 떨어뜨려 놓는다. 수많은 개미가 오가다 보면 자연스럽게 최단거리의 길에 페로몬이 가장 많이 쌓인다. 시간이 흐르면 모든 개미가 페로몬 향이 가장 짙은 ‘최적화된 길’로 다닌다. 이 이론은 1990년대 후반부터 활발한 연구가 이뤄져 다방면에 활용됐다. 영국 브리티시텔레콤은 이를 데이터 신호를 보내는 최적의 경로를 찾는 데 응용했다. 미국 출판사 맥그로힐은 ‘다음 개미를 만날 때까지 먹이를 나르고, 그것을 바로 넘겨준다’는 수확개미의 단순한 행동방식을 물류창고에 적용해 생산성을 30%나 높이기도 했다.


게코도마뱀의 발바닥에는 주걱 모양의 섬모가 수억 개나 있다. 그래서 어떤 표면이라도 잘 붙고 잘 떨어진다. 이것을 잘 활용하면 영화 ‘미션임파서블 4’에 나온 거미장갑을 개발할 날도 그리 머지않았다. 동아일보DB, 서갑양 교수 제공

왜 자연인가 2: 이미 검증됐다

   자연 또는 생체를 모방하는 이유는 또 있다. 짧게는 수백만 년, 길게는 수억 년 가까이 특정 상황에 적응해온 ‘검증된 결과’라는 점이다. 자연계에는 각 분야의 최고 고수들이 수두룩하다. 게코도마뱀도 그중 하나다. 이 도마뱀의 발바닥에는 지름 5∼10μm(마이크로미터·1μm는 100만분의 1m)의 강모가 100만 개 이상 있다. 그 끝은 다시 지름 0.5μm 이하의 주걱 모양 섬모 수백 개로 갈라져 있다. 수직의 나무 표면이나 벽을 마음대로 오르내리는 도마뱀의 접착력이 바로 이 구조에서 나온 것이다. 서갑양 서울대 교수(기계항공공학)는 2005년쯤 게코도마뱀 발바닥을 확대한 사진을 우연히 보고선 말 그대로 ‘찌릿함’을 느꼈다.


   게코도마뱀의 접착 원리를 처음 밝혀낸 것은 2000년경. 서 교수는 후발주자였음에도 현재는 자타가 공인하는 세계 1등이다. 도마뱀의 발바닥 구조를 그만큼 똑같이 만들 수 있는 사람은 없다. 액정표시장치(LCD) 패널을 오염 없이 안전하게 옮기는 장치나 심전도 측정 장비를 피부에 붙여주는 패드 등에도 서 교수의 접착제가 쓰일 수 있다. 지난해 개봉한 ‘미션 임파서블 4’에서 톰 크루즈가 세계 최고층 빌딩인 부르즈 칼리파 외벽을 기어오르던 장면을 기억하는가. 영화 속 ‘거미장갑’은 아직 실현되지 않았지만 그렇다고 먼 미래도 아니다. 63빌딩을 자유자재로 기어오르는 스파이더맨이 곧 당신 눈앞에 나타날 수도 있다.


   서 교수는 8월 세계 최고 권위의 학술지 ‘네이처 머티어리얼스’에 또 한 편의 의미 있는 논문을 게재했다. 그는 게코도마뱀의 발에 있는 섬모 구조를 서로 맞붙여 강력한 고정 효과를 냈는데, 이런 구조가 딱정벌레에 이미 존재하더라는 것이다. 서 교수는 “딱정벌레가 날지 않을 때 날개를 접어 고정시킨다는 사실을 곤충학자들은 이미 100년 전부터 알고 있었다”며 “우리가 이를 재발견한 것”이라고 말했다. 그의 눈은 또 다른 생물체로 향하고 있다. 마찰열이 적은 뱀의 뱃가죽, 한꺼번에 약물을 끌어 모아 분출하는 독사의 이빨, 화려한 색을 내는 심해생물 등이 그것이다.


   건축가들에게도 자연은 완벽한 벤치마킹의 대상이다. 스페인의 위대한 건축가 안토니 가우디(1852∼1926)가 대표적. 바르셀로나에 있는 ‘카사 밀라 라 페드레라’는 아예 인간의 골격 형상을 본떠 만든 집이고, 유명한 성가족교회 본당의 천장도 잎사귀에서 모티브를 얻은 것으로 알려졌다. 짐바브웨의 이스트게이트 센터(1996년)는 바위 모양의 흰개미집을 모방한 것이다. 마이크 피어스는 흰개미집의 자동정화시스템처럼, 산소가 많은 찬 공기는 아래로 들어오고 이산화탄소가 많은 더운 공기는 위로 빠져나가도록 설계해 에너지 소비를 90%나 절감했다.


   김정기 홍익대 교수(도시건축대학원장)는 “간단한 구조체를 세울 때도 인장력과 압축력 등의 균형이 맞아야 한다”며 “자연계에 존재하는 것들은 이미 오래전부터 보완을 거듭해왔기 때문에 구조나 시스템이 완벽하다고 볼 수 있다”고 말했다. 곤충의 날개, 동물의 뼈 등 이미 검증된 생체 구조에서 건축학적으로 배울 부분이 많다는 얘기다.



왜 이제야 자연인가 1: 한계의 인식

   생체모방의 선구자 재닌 베니어스는 그의 책에서 다음과 같이 썼다.


   ‘생물학적 조상을 그대로 따라하는 편이 가장 현명한데도 인간은 정반대 방향으로 가고 자연으로부터 독립해왔다.(중략) 기술이라는 막강한 힘을 붙들고 사실상 우리의 보금자리에서 멀리 떨어져 우리 자신을 신으로 착각하기에 이르렀다.’


   인간이 도구를 사용하고 농사를 지으면서 자연은 경작의 대상, 정복(개간)의 대상으로 변했다. 자연과 어우러져 살아가던 인간은 자연을 변화시킴으로써 발전을 이루기 시작한 것이다. 급기야 이마누엘 칸트(1724∼1804)의 ‘구성주의’는 “인간의 인식이나 실천은 자연의 존재를 재현, 모방하는 게 아닌 인간이 자신의 틀을 직접 구성하는 것”이라고 주장하기에 이른다.


   그러나 인간은 곧 한계에 다다랐다. 엄청난 양의 비료를 뿌렸지만 토지는 갈수록 척박해졌다. 환경의 오염은 인간을 위협하기 시작했다. 신나게 써대던 화석연료도 어느새 바닥을 드러낼 시점이 다가오고 있다. 이정우 경희사이버대 교수(후마니타스학부장)는 “자연으로부터 멀어졌던 인간은 이제 생존에 위협을 느끼게 됐다”며 “그런 절박함 때문에 인간이 다시 자연으로 회귀하는 것”이라고 말했다. 실제 20세기 들어 앙리 베르그송(1859∼1941)과 마르틴 하이데거(1889∼1976)를 중심으로 한 ‘존재론적 전회(轉回)’가 주류로 떠올랐다. 이 교수는 “베르그송과 하이데거의 존재론은 쉽게 말해 철학이 객관적이고 자연적인 것에 무게중심을 두기 시작했다는 뜻”이라며 “동양사상으로 해석한다면 ‘작위의 시대’가 가고 ‘자연의 시대’가 온 것이다”라고 설명했다.


   여기에 훼손된 자연에 대한 인간의 양심적 가책도 생체모방의 필연성에 힘을 실어주고 있다. 세계적 디자이너였던 빅토르 파파네크(1927∼1998)는 “디자이너는 생태계 파괴에 대처하는 데 주저하지 말고 적어도 원형을 회복시키는 데 영향을 줄 수 있는 방법과 대안을 찾아야 한다”고 말했다.



왜 이제야 자연인가 2: 기술의 뒷받침

   인간은 무한한 것만 같았던 자신의 능력에도 어느새 한계를 실감하기 시작했다. 자신의 지혜로는 도저히 풀 수 없는 산적한 숙제들 앞에서 좌절을 겪기도 했다. 이럴 때마다 인간에게 실마리를 던져 준 것은 자연이었다. 인간이 만든 어떤 물건보다 자연은 훨씬 더 정교하고 친환경적인 작품을 갖고 있었다. 그래서 인간은 하늘을 날고 싶을 때 독수리의 날개를 연구했고, 빨리 달리고 싶을 때는 맹수의 유선형 몸매를 흉내 냈다.


   최근 들어 이런 모방이 훨씬 쉬워진 것은 자연을 관찰하는 인간의 눈이 훨씬 밝아졌기 때문이다. 과학과 기술이 발전하면서 자연에 대한 이해의 폭도 넓어졌고, 나노 공정의 발달로 자연계의 아주 작은 것도 관찰하고 따라 만들 수 있게 됐다. 서갑양 교수는 “사실 인간이 과학을 시작한 것 자체가 자연에 대한 경외심 때문이었다. 다만 최근 생체모방이 폭발적으로 늘어난 것은 나노기술의 발전 덕분”이라고 말했다.


   건축이나 디자인 분야에서도 신소재 개발로 생체모방 프로젝트들이 강력한 추진력을 얻고 있다. 김정기 교수는 “옛날엔 차마 따라 하지 못했던 자연의 구조물들을 최근엔 쉽게 재현해내고 있다”며 “이는 얇고 단단한 새로운 건축자재들이 쏟아져 나오는 덕분”이라고 했다. 사실 2008년 베이징 올림픽 당시 화제가 됐던 수영경기장 ‘수이리팡(水立方·워터큐브)’도 그런 사례다. 설계업체였던 ‘PTW 아키텍처’는 건물 외피에 합성수지인 에틸렌테트라플루오르에틸렌(ETFE)을 사용함으로써 물의 분자구조 이미지를 구현해낼 수 있었다.


   재닌 베니어스는 “양심의 가책이 우리를 고향(자연)으로 밀어주는 한편 자연과학에서 쏟아져 나오는 방대한 새로운 정보도 같은 크기의 힘을 제공하고 있다”고 했다. 이와 비슷하지만 이정우 교수의 정의가 좀 더 쉽고 간단하다.


   “생체모방은 지금까지 발전시킨 기술에 새롭게 돌아본 자연을 합친다는 의미입니다.”

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자연모방의 시대, 생체모방기술

자연에서 살아온 인류는 예부터 자연을 모방해 왔다. 작은 미생물에서 커다란 동물이나 기상작용 등 자연현상을 관찰해 생존에 활용해 온 것이다. 이러한 ‘자연모방’이 미래에는 갈수록 부각될 것이다. 산업화 과정을 통해 활용돼 온 기존 과학기술들이 보건 및 환경 이슈 등 지속가능성에서 많은 문제점도 노출시켰기 때문이다.

오랜 진화 과정을 통해 자연적으로 선택되어 성능이 우수하며, 폐기물 발생이나 부작용도 최소화된 자연현상의 모방이 사회경제의 다양한 분야로 확산될 것이다. 2006년 9월 <타임> 잡지가 선정한 ‘올해 최고의 발명품’인 유리판을 기어 올라가는 스티키봇(Stickybot)은 스탠퍼드대학에서 근무했던 김상배 박사(현재, 하버드대학 마이크로 로봇연구실 근무)가 개발했다.

스티키봇은 도마뱀붙이(Gecko) 발의 접착력을 모방한 것으로, 이 동물은 발가락당 200nm 굵기의 섬모를 무려 650만 개나 갖고 있으며, 반데발스 힘으로 미끄러지지 않고 유리판을 기어 올라갈 수 있다.

이러한 아이디어는 버클리대학 통합생물과 로버트 폴 교수에게서 시작됐으며, 도마뱀붙이 발의 접착력을 이용하는 ‘게코 테이프’를 버클리대학 기계공학과 오종호 박사와 서울대학교 기계항공공학부 서갑양 교수팀이 연구하고 있다. 스탠퍼드대학에서는 유리 외에도 나무 등 울퉁불퉁한 표면을 올라가는 ‘라이즈 로봇(Rise Robot)’을 개발하고 있다.

동물, 식물 등 생명체의 기능·생체구조를 모방해 사람을 대신하거나 생체 일부를 보완·대체해 생체 기능을 향상시키는 연구개발 분야를 ‘생체모방기술’이라고 하는데, 이는 일본에서 사용하는 ‘지능’ 또는 미국의 ‘스마트’라는 개념과도 궤를 같이한다.

사람을 대신하는 분야의 대표적인 예는 로봇이다. 계단을 올라가거나 춤을 출 수 있는 균형감각을 지닌 로봇으로는 혼다의 ‘아시모’가 유명하다. 사람의 말을 알아듣는 아이보(AIBO)는 1999년 소니가 개발했는데, 생활에 접근한 지능형 로봇이다. 서울대학교 항공우주정보시스템공학과, KAIST 국방무인화기술특화센터, 건국대학교 신기술융합학과 등에서 파리로봇 등 초소형 비행로봇과 무인조정 지네로봇을 개발하고 있다.

소금쟁이가 가라앉지 않고 물 위에 떠 있는 현상을 ‘초발수(super hydrophobic)’라고 한다. 이 현상은 연잎에서도 관찰된다. 독일 본대학교 식물연구소의 빌헬름 바르틀로트는 연꽃이 항상 깨끗한 잎을 유지하고 있다는 사실을 발견하고, 1977년 연잎을 전자현미경으로 관찰했다.

그 결과 연잎 표면에서 많은 돌기를 관찰했으며, 이 돌기들이 연잎을 오염물질로부터 보호한다는 사실을 알아냈고, 이를 ‘연잎 효과(Lotus effect)’라 명명했다. 이러한 초발수 효과를 이용한 특수 페인트가 1999년 로터산(Lotusan) 브랜드로 생산되고 있으며, 본대학교는 고속도로 톨게이트 감시카메라 코팅용으로 연구하고 있다. 한국기계연구원 재료연구소 나종주 박사팀은 핸드폰 기판에 사용하기 위한 처리 방법을 개발하고 있다.

2세대에 진입한 생체모방기술

2000년 시드니 올림픽에서 호주 수영선수들이 전신 수영복을 입고 나온 이래, 전신 수영복은 수영계의 대세로 자리했다. 이 수영복은 상어의 방패비늘을 이용해 와류에 의한 속도 감소를 최소화한 것으로, 수영복을 개발했던 스피도 사와 NASA는 기능을 더욱 강화한 ‘레이저 레이서’를 개발해 2008년 베이징 올림픽에 도입했다.


이와 같이 생체모방기술은 기능을 더욱 개선해 생체모방기술의 2세대에 진입했다. 박쥐의 초음파를 응용한 레이더는 1930년 독일과 영국에서 실용화됐고, 워싱턴대학과 바텔연구소를 중심으로 수중탐지기와 초음파 진단기기 등을 생산하는 클러스터가 형성됐다. 숲속을 다니는 동안 다른 동물의 눈에 띄지 않는 호랑이의 줄무늬를 이용해 군인들은 얼굴에 무늬를 그리거나, 군복과 자동차를 얼룩무늬로 위장한다.

2009년 미국 농무성 농업연구소와 플로리다대학 연구팀은 토마토가 병든 것처럼 고령토 분말을 코팅해 토마토 질병을 일으키는 총채벌레(총채벌레가 일으키는 농업피해는 연 39억 달러)가 접근하지 못하도록 위장하는 기술도 개발했다.

2008년 노벨 화학상은 북태평양 심해에서 살고 있는 발광 해파리의 형광단백질 유전자를 연구한 일본의 시모무라 박사에게 주어졌다.

도쿄대학교 첨단과학기술연구센터의 곤충센터에서는 성호르몬(페로몬)을 따라 날아오는 누에나방의 뇌에서 일어나는 정보처리과정을 연구하고 있는데, 이러한 연구에서 어떤 물질에 형광단백질을 부착하고 일정한 시간이 지난 다음 자외선을 쪼여주면 세포 내에서의 생명현상을 실시간으로 관찰할 수 있다. 연구에 필요한 기초물질을 제공하는 데도 활용된다.

미래 전망과 과제

생체모방기술은 산업, 군사 분야를 넘어서 보건, 환경, 사회 분야 등 커다란 시장으로 확대될 것이다. 인구 고령화, 기후변화 등의 메가트렌드에 자연모방의 대세가 기여할 여지가 크다. 미래학자들은 미래 고령사회에는 ‘노인은 없을 것’이라고 예측한다. 이는 60세 이상의 고령자를 대상으로 기능이 약화된 조직이나 기관을 대체·보완하는 재생의학기술의 발달을 의미한다.


재생의학에서 활용되는 대표적인 분야가 줄기세포이며, 2005년도에는 우리가 주도할 기회도 있었다. 4개 염기 조합으로 구성되는 세포의 염색체 정보저장능력과 세포가 분열할 때 세포 내 정보도 실수 없이 복제되며, 뜨거운 열이 발생하지 않으므로 이러한 특성을 이용하려는 DNA 컴퓨터도 연구되고 있다.

지구 온난화로 사과와 인삼의 재배 적정지역이 강원도로 북상하고 있으며, 기존 재배지역에서 새로운 대체작목 개발이 요구되고 있다. 민들레 같이 커다란 잎을 가지고 있으며 밀납으로 표피가 덮여 있어 물이 스며들지 않고 뿌리까지 흘러, 다른 식물보다 16배의 물을 수집·보관하는 ‘사막대황’이라는 식물의 특성을 활용해 온난화에 따라 증가되는 사막화 면적을 개간하는 세계적 과제에 도전할 수도 있다.

우리나라의 생체모방기술 연구개발은 단기적 가능성이 높은 산업화 과제에 집중하고 있는데, 앞으로 적극적 사고로 기술·개념에 대한 원천에 접근하고, 새로운 더 큰 시장을 선점하기 위해 노력할 필요가 있다.
  • ScienceTimes

과학자들이 탐내는 생체모방 명품 7선

“수십억 년을 지탱해 온 자연은 경이롭기 짝이 없습니다. 우리가 얼마나 보잘 것 없는 존재인가를 새삼 느끼게 됩니다.” 도심을 벗어나 자연을 찾아가는 여행 프로그램에서 나올 법한 진부한 표현이다. ‘위대한’ 자연과 마주친 이들 중 겸손해지지 않을 사람이 있을까. 그런데 여기 누구보다 진지하게 자연을 관찰하고 그 앞에 하염없이 겸손해지는 사람들이 있다. 바로 생체모방 공학자들이다.

끊임없이 변하는 환경에서 살아남을 수 있었던 생물체를 분석하고 우리 생활을 이롭게 하려는 것, 생체모방 공학의 매력이다. 최근에는 기계, 항공, 소재, 생활용품, 의학 등 응용 분야를 넓히고 있다. 기존의 연구에 혁신적인 실험과 결과를 더해 가치를 만들어내고 있는 생체모방 공학 명품 7가지를 꼽았다. 이들에게 자연은 ‘진정’ 위대한 스승이다.

1 풍뎅이 무인비행기


날개 비틀어 하늘로 급발진


내 주머니 속에 있다가 필요할 때 끄집어 낼 수 있는 초소형 비행체가 있다면 어떨까. 무게는 10g 이내에 초소형 카메라가 달려 있고, 정해진 항로로 날아갈 수 있다면? 군이나 경찰이라면 귀를 쫑긋 세워볼 만하다. 인질극을 벌이는 무장강도를 제압하거나 대치하고 있는 적군의 동태를 살피는데 안성맞춤이다. 이처럼 영화에서나 나오는 초소형 무인정찰기(UAV)를 실제로 만들 수 없을까.

건국대 박훈철 교수팀은 지난 5월 장수풍뎅이를 모방해 무게 10g 안팎의 초소형 비행체를 개발하는 데 성공했다. 이 초소형 비행체는 자세가 흐트러지지 않고 지면에서 30° 방향으로 날아올랐다. 연구팀은 왜 장수풍뎅이의 날갯짓을 모방했을까. 박훈철 교수는 이렇게 설명한다.

“평소에는 접혀 있다가 도망갈 때만 펴지는 장수풍뎅이의 날갯짓이 초소형 비행체에 ‘딱’이었어요. 전진하는 힘(추력)과 띄우는 힘인 양력, 비행체의 무게 등을 고려해봤을 때 풍뎅이의 날갯짓이 매력적이었죠.”

2007년부터 개발을 시작한 연구팀은 풍뎅이의 날갯짓을 분석하는 데만 1~2년이 걸렸다. 풍뎅이는 평소 잘 날지 않는다. 연구팀은 풍뎅이가 가끔 날아오르는 순간을 초고속 카메라로 촬영해 날갯짓을 분석했다. 분석 결과 풍뎅이와 새의 날개 움직임은 크게 달랐다. 새는 날개를 아래로 내려칠 때만 앞으로 가는 힘이 발생한다. 대신 위로 올릴 때는 날개를 자연스럽게 움츠려 빠르게 올린다. 손실되는 추력을 최소화하기 위해서다. 그러나 풍뎅이는 근육이 없어 새와는 달랐다. 날개를 내렸다 올리는 동작에서 날개를 한번 비튼다. 공기와 날개가 맞닿는 각도가 비행에 필요한 양력과 추력을 유지할 수 있는 적정 각도가 되도록 바꿔주는 것이다.

몇 년의 시행착오를 거쳐 연구팀은 풍뎅이 날갯짓에 가까운 비행체를 만들었다. 날개를 비트는 동작을 그대로 흉내 내기는 어려웠다. 고민 끝에 날개 뒤쪽을 몸체에 고정시켜 날개 바깥쪽의 회전이 커지게 만들어 해결했다. 또 워낙 가벼운 비행체여서 빠른 날갯짓에 균형을 잡기가 어려웠다. 연구팀은 몇 개월 씨름한 결과 풍뎅이의 공기력 중심점을 알아내 날개를 비틀면서도 안정적인 자세로 날아오르는 초소형 비행체를 완성했다. 이밖에 무게를 최대한 줄이기 위해 초소형기계(멤스) 기술로 몸체를 만들고 탄소나노튜브 소재로 날개를 만들었다. 초소형 배터리와 모터도 직접 만들었다.

박훈철 교수는 올 1월 ‘큰 각도로 날갯짓을 하는 비행체’라는 이름으로 풍뎅이 비행체에 대해 미국 특허를 받았다. 연구팀은 풍뎅이 비행체가 리모컨 없이 1초에 35~38회 날갯짓을 하며 완벽하게 자유비행을 하도록 만드는 것을 최종 목표로 하고 있다.


[장수풍뎅이는 날갯짓을 할 때 아래로 내렸다가 위로 올리는 동작에서 날개를 한번 비튼다. 이런 동작을 통해 날개는 양력(뜨는 힘)과 추력(나아가는 힘)을 유지하는 적정 각도가 된다.]


[건국대 박훈철 교수팀이 지난 5월 완성한 장수풍뎅이 모사 초소형 비행체는 자세가 흐트러지지 않고 지면에서 30°로 정확히 날아간다. 날아가는 비행체를 연속 촬영했다.]

2 깃털 자동차


새처럼 가볍게 공기저항을 줄인다


고속도로를 달리는 자동차는 어디에 가장 연료를 많이 쓸까. 바로 공기 저항을 극복하기 위해서다. 자동차 속도가 시속 120km라면 연료의 70%를 공기의 유동저항(항력)을 극복하는 데 쓴다. 만일 자동차의 유동저항을 줄인다면 연료도 크게 절약할 수 있다.

서울대 기계항공공학부 최해천 교수팀은 새 깃털의 움직임에 주목했다. 새는 하늘을 날 때 날개의 깃털을 들어 유동저항을 줄인다. 이처럼 자동차 뒷부분에 새 깃털을 모방한 장치를 달면 유동저항을 줄일 수 있지 않을까.

사실 최신 차량에는 이미 ‘디플렉터(PMD)’라는 유동저항 제어 장치가 붙어 있다. 하지만 이 장치는 고속 주행시저항을 줄여 주지만 저속 주행에서는 오히려 저항을 높인다. 새의 깃털처럼 속도에 따라 유연하게 대응하는 장치가 필요하다. 연구팀이 고안한 것은 수동으로 움직이는 PMD다. 저속 주행에서는 자동차 뒷면에 붙어 있다가 유동저항이 늘어날 때만 움직여 이를 줄여준다. 실험 결과 유동저항을 최대 7.5%까지 줄였다. 최해천 교수팀은 미국의 자동차 회사 GM과 이 장치를 실제 자동차에 적용하는 테스트를 하고 있다.

그렇다면 새 깃털이 어떻게 자동차의 유동저항을 줄여주는 걸까. 새가 날개를 펴고 공기 속을 통과할 때 날개 뒷부분에 유동저항이 발생한다. 공기 흐름과 날개의 넓은 면이 이루는 각(받음각)이 클수록 날개 뒤에 유동저항이 크게 발생해 비행 속도가 줄어든다. 자동차 뒷부분도 마찬가지다. 이 때 새는 본능적으로 깃털을 위로 든다. 위로 들린 깃털은 놀랍게도 유동저항을 줄이며 뜨는 힘(양력)을 높여 속도를 유지한다. 연구팀이 개발한 PMD라는 장치도 자동차에서 같은 역할을 한다.




[새가 깃털 뒷부분을 드는 이유는 뭘까. 유동저항을 줄이기 위해서다. 이를 모방한 수동 디플렉터(PMD)가 개발됐다.]

3 날치 비행기

바닷속 헤엄치다 하늘로 날아오른다


수면 위를 최대 40초 동안 시속 70km로 400m를 한번에 날 수 있는 날치. 존재만으로도 신비로웠던 날치의 비행 메커니즘은 지난 2010년 밝혀졌다. 최해천 서울대 교수팀이 영국 과학학술지 ‘실험생물학저널’에 날치의 비밀을 밝힌 것. 날치는 폭이 15cm인 양 지느러미(가슴지느러미과 배지느러미)를 활짝 편 뒤 수면에서 수 cm 떠 행글라이더처럼 미끄러지듯 난다. 비밀은 가슴지느러미와 배지느러미의 각도다. 몸통을 수평으로 눕혔을 때 가슴지느러미 앞쪽은 12~15° 위를 향하고 배지느러미는 2~5° 위를 향한다. 이 각도가 날치를 비행기처럼 뜨게 하는 양력을 발생시키는 것이다.

최근 날치의 비행을 모방할 수 있는 새로운 실마리가 하나 더 나왔다. 날치의 가슴지느러미 아래에 달려 있는 뼛살이 양력을 약 25% 가량 높이는 것을 최 교수팀이 또다시 밝혀낸 것이다. 연구팀은 날치의 가슴지느러미 뒷부분에서 공기의 속도를 살펴봤다. 이 결과 가슴지느러미 윗면에서 빨라지고 아래에서는 속도가 늦어지면서 양력이 증가했다. 가슴지느러미 뼛살이 아래에 달려 있기 때문에 가능한 현상이다.

연구팀은 날치 가슴지느러미 뼈대를 조그만 원형실린더 형태로 만든 뒤 단순한 평판에 달아 실험했다. 그 결과 날치처럼 아랫면에 부착했을 때 양력이 증가했으며 특히 평판 뒷단 아래에 붙였을 때 양력이 가장 크게 늘어났음을 확인했다.

“날치 앞지느러미의 뼛살의 비밀은 항공기가 이착륙할 때 발생하는 지면 효과(일반적으로 뜨는 힘을 감소시킨다)를 제어하는 데 도움이 될 수 있어요. 궁극적으로는 날치처럼 바다 속을 헤엄치다가 필요할 때 하늘을 나는 비행체를 개발하는 것이 목표입니다.” 최해천 교수의 포부다.






[자동차의 저속과 고속에서 필요에 따라 ‘자동으로’ 내려갔다 들리는 PMD의 성능을 실험하고 있다.]


[날치의 앞지느러미 단면이다. 물체를 띄우는 힘을 약 25% 올려주는 비밀이 그림에서 표시한 뼛살에 담겨 있다.]

4 딱정벌레 물주머니

땅속에 인공 오아시스 만든다


‘제임스다이슨상’이라는 상이 있다. 영국 청소기 브랜드 다이슨의 CEO인 제임스 다이슨이 차세대 디자이너와 엔지니어들을 위해 만든 국제 디자인 대회의 최고상이다. 지난해에는 특히 전세계에서 고통받는 수많은 사람을 위해 고안된 아이디어 여럿이 수상해 주목받았다(왼쪽 아래 QR코드로 제임스 다이슨상 수상작을 확인할 수 있다).

그 중 호주 디자이너 에드워드 리나커가 출품한 ‘에어드롭(Airdrop)’은 물이 부족한 지역에 단비를 내릴 수 있는 혁신적인 아이디어로 꼽혔다. 이 장치는 땅속에 묻힌 파이프로 공기를 모은다. 땅속의 온도가 낮기 때문에 파이프에 있는 공기 속의 수증기만 이슬방울 형태로 맺힌다. 이를 지하에서 바로 땅속으로 공급하면 농작물 뿌리가 물을 흡수한다. 비용과 에너지가 거의 들지 않으면서 공기 중에 있는 깨끗한 물을 농작물에 줄 수 있다.

에어드롭 시스템의 기본 원리는 어디에서 왔을까. 바로 아프리카 나미브 사막에 사는 사막딱정벌레 등딱지다. 사막딱정벌레는 등에 큐티클층(각질층)이 있다. 공기에 들어 있는 수분을 등에 물방울로 맺히게 한 뒤 입으로 굴려 마신다. 1년 강수량이 10mm밖에 되지 않는 세계에서 가장 건조한 땅에 살기 위한 사막딱정벌레만의 비법이다.

국내에서도 사막딱정벌레의 등딱지를 모방한 연구가 진행되고 있다. 주인공은 이해신 카이스트 화학과 교수. 사막딱정벌레는 물방울이 등딱지와 이루는 각도가 150° 이상이어서 잘 굴러간다. 이 교수 역시 물방울이 이 각도로 맺히는 표면 구조를 개발하고 있다. 강이 계곡을 따라 흘러가듯 등딱지 위에서 물방울이 이런 각도의 길을 따라 원하는 곳으로 모이는 것이다. 이 구조를 이용하면 공기 중 수증기를 우리가 마실 수 있는 물로 바꿀 수 있다. 연구팀은 지금까지 발표된 것보다 1000배 큰 표면구조를 만들 계획이다.

한편 에어드롭은 현재 메마른 사막 지역에서 1㎤ 부피의 대기에서 하루 11.5ml의 물을 얻고 있다. 사막딱정벌레가 사막의 오아시스가 될 날도 머지 않았다.




[제임스다이슨상을 받은 에어드롭. 공기 중에 있는 수증기를 모아 땅속으로 바로 공급하는 장치로 나미브 딱정벌레 등딱지가 물을 튕겨내는 성질을 모방해 만들었다.]



5 연잎 반도체

물에 젖어도 주소록 살아 있는 스마트폰


풀잎에 맺히는 새벽이슬은 둥글다. 물방울들은 동글동글 맺혀 있으며 무거운 것은 굴러 떨어진다. 식물 중 가장 동그란 형태의 물방울을 잎 위에 올려놓을 수 있는 것은 바로 연이다. 연잎 표면은 눈에 보이지 않는 작은 돌기가 무수히 나 있다. 이 덕분에 물방울과 잎 바닥면의 각도가 150° 이상이다. 일반적으로 60°보다 크면 물을 튕겨내는 성질, 즉 소수성이 크다. 연잎 표면은 이러한 ‘초소수성’ 때문에 생체모방 공학의 단골 메뉴였다.

그런데 이러한 연잎 표면을 이용해 물속에서도 젖지 않으면서 전원이 없어도 정보를 계속 저장할 수 있는 차세대 비휘발성 메모리 소자(저항메모리 소자, RRAM)를 국내 과학자가 개발했다. 물에 빠져도 고장나지 않고 저장된 주소록 정보를 잃어버리지 않는 ‘정말로’ 똑똑한 스마트폰을 개발할 수 있는 것이다.

포스텍 화학공학과 용기중 교수와 이승협 박사가 한국연구재단의 지원을 받아 개발한 이 메모리 소자는 지난 4월 ‘어드밴스드머티리얼’지에 소개됐다. 실제로 물속에서도 안정적으로 성능을 유지할 수 있는 후속 실험에도 성공해 같은 과학학술지 6월호에도 실렸다.

방수 반도체는 오랫동안 과학자들이 연구해온 주제였다. 용 교수팀은 우선 연잎 표면처럼 가는선 모양의 텅스텐 산화물 분자(W18O49)를 오돌토돌하게 정렬해 나노 반도체를 합성했다. 이 나노 반도체의 표면을 단분자막으로 코팅해 물속에서도 젖지 않는 메모리 소자를 개발했다.

용 교수팀이 개발한 연잎 기술은 다양한 분야에 응용할 수 있다. 오염물질이 묻지 않는 섬유, 스스로 깨끗해지거나 성에가 끼지 않는 유리 등이다. 생체모방공학의 교과서인 연잎의 진가는 지금부터다.


[촘촘한 보라색 섬모가 텅스텐 산화물로 만든 나노와이어다. 연잎의 표면과 같은 형태로 만들었다. 가운데 노란색으로 이뤄진 것은 나노와이어에 금을 증착시킨 것이다. 왼쪽 아래와 가운데 보이는 까만 막대가 전극이다. 이들로 회로를 만들어 전류를 흘렸다 끊었다 하는(스위칭) 저항메모리 반도체 성질을 구현했다. 오른쪽 아래 작은 그림은 회로도이다.]


[텅스텐 와이어를 연잎의 섬모 모양으로 설계해 물이 묻어도 반도체 성질을 잃지 않는 반도체 만들기에 성공했다.]


6 거미줄 방탄조끼

기관총도 막아낼까

갈등하는 히어로 ‘스파이더맨’의 필살기는? 아무리 생각해 봐도 화려한 필살기가 떠오르지 않는다. 그저 도심 빌딩 속을 날아다니는 모습만 그려진다. 그것마저도 거미줄에 매달려 위태위태한 모습이다. 그래도 스파이더맨을 슈퍼히어로로 만든 힘은 어디서 왔을까. 위태해 보이는 가느다란 거미줄이 아닐까. 어떻게 저런 얇은 거미줄이 끊어지지 않고 몸을 지탱하는 것일까. 비밀은 거미줄의 나노구조에 있다. 선과 블록의 나노구조 배열이 엄청나게 질긴 거미줄을 만들어낸다.

거미줄의 배열구조에 착안한 과학자는 거미줄보다 6배 더 질긴 섬유를 개발하는 데 성공한다. 김선정 한양대 전기생체공학부 교수팀은 꿈의 신소재라 불리는 그래핀과 탄소나노튜브를 거미줄의 배열 구조로 결합시켜 훨씬 강한 신소재를 만들어냈다. 방탄조끼에 사용하는 합성섬유 케블라보다 12배 이상 튼튼해 우수한 인공근육 소재로 쓸 수 있다.

전기에너지를 운동에너지로 바꿔주는 인공근육 소재는 강하고 유연하면서도 전기가 잘 통해야 한다. 그래핀과 탄소나노튜브가 그런 특성을 가진 대표적인 소재다. 그러나 그래핀은 2차원 평면 구조로 이뤄져 섬유로 만드는 것이 쉽지 않다. 때문에 지금까지는 주로 탄소나노튜브로 인공근육 섬유를 만들었다. 하지만 탄소나노튜브는 섬유로 만들면 서로 엉키는 성질이 있어 성능을 높이는 데 한계가 있었다. 탄소나노튜브 섬유를 만든 뒤엉킨 부분을 강제로 풀어 다시 배열하는 후처리 과정이 있지만 방법이 복잡했다.

과학자들에게 힌트를 준 것은 거미줄이다. 2차원 평면인 그래핀과 가는 선 모양의 탄소나노튜브가 결합한 뒤 스스로 배열되도록 하자 추가 공정 없이도 강력한 섬유 소재를 만들 수 있었다. 이는 더욱 강력한 방탄조끼로도 얼마든지 만들 수 있다. 방탄조끼를 입고 전장에 나가거나 대테러 작전에 나서는 군인들은 앞으로 거미를 발견할 때마다 고마워해야 할지도 모른다.




[거미줄의 나노 구조 배열을 모방해 그래핀과 탄소나노튜브를 네트워크로 결합시켰다. 그래핀 섬유의 표면.]



7 딱정벌레-도마뱀-잠자리

누구 접착제가 가장 강할까


생체모방공학으로 탄생한 아이디어 중 일상생활에서 가장 접하기 쉬운 것은 ‘찍찍이’라고 불리는 접착제가 아닐까. 게코도마뱀의 발바닥을 모방해 만든 접착 재료가 이제는 딱정벌레로 확대됐다(과학동아 3월호 136페이지 기사 참조). 서갑양 서울대 기계항공공학부 교수가 게코도마뱀의 발바닥에서 아이디어를 얻어 개발한 접착 재료에 이어 최근에는 딱정벌레의 날개와 몸통이 닿는 부위를 이용해 더 강력한 접착 재료를 개발한 것이다.

찍찍이로 불리는 벨크로는 갈고리 모양의 섬모가 달린 면과 고리가 달린 반대쪽 면으로 이뤄져 있다. 서로 대면 섬모와 고리가 맞물려 매우 강력하게 붙는다. 생체모방 벨크로를 탄생케 한 첫번째 ‘스승’은 게코도마뱀이다. 게코도마뱀은 발바닥에 50~100마이크로미터 크기의 섬모가 촘촘히 나 있다. 이는 도마뱀이 벽이나 천장에 거꾸로 붙어 있어도 몸무게를 지탱할 수 있는 접착력을 만든다. 서갑양 교수는 실리콘 고분자로 만든 접착면에 도마뱀 발바닥의 섬모 역할을 하는 미세 돌기를 새겨 넣어 도마뱀 접착 재료를 개발했다.

두번째 스승은 딱정벌레다. 딱정벌레는 겉날개를 닫고 있다가 날아가려고 할 때 겉날개를 열어 속에 접혀 있는 뒷날개를 펼친다. 겉날개와 몸통이 닿는 부분이 닫고 있을 때는 단단히 고정돼 있지만 날려고 할 때는 매우 쉽게 떨어진다. 딱정벌레 접착제는 이런 성질을 이용한 것이다.

서갑양 교수가 최근 관찰하기 시작한 것은 잠자리다. 수놈이 암놈에 붙을 때의 메커니즘을 유심히 관찰하고 있는 서 교수가 또 어떤 큰일을 낼지, 생체모방의 한계는 어디일지 자못 궁금해진다.





[딱정벌레 날개 원리가 들어있는 테이프. 마이크로미터 크기의 미세한 섬모가 촘촘히 박혀 있다. 분자 사이에 반데르발스힘이 작용해 옆으로 잡아당길 때 잘 안떨어진다.]


과학동아