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~2016년 교육부 이야기/신기한 과학세계

21세기 과학, 자연에서 배우다!

대한민국 교육부 2012. 6. 21. 09:00




자연의 동물과 식물을 유심히 관찰해 보세요. 높이 하늘을 오르는 새, 바닷속 깊숙하게 헤엄을 치는 물고기들, 벽을 잘 기어오르는 도마뱀, 그리고 물에 젖지 않는 연꽃잎, 어렸을 때부터 궁금했던 일들이 자연 속에 있습니다. 인간은 하늘을 날지도, 물속에서 오래 있을 수도 없지만 이러한 자연 속 생명체들을 모방하여 비행기도, 잠수함도 만들어 냅니다. 아마도 ‘모방은 창조의 어머니’라는 말은 인간에게 있어 옛날부터 오늘날까지 통하는 진리인 것 같습니다. 이번 기사는 아주 재미있고 흥미로운 과학 이야기인데요. 연의 발명품을 어떻게 우리 생활에 적용 가능한 형태로 만들어 내는지 살펴보도록 하겠습니다.

 

생체모방학 (Biomimicry), 자연에서 힌트를 얻다.

 

생체모방: 생체모방은 생명을 뜻하는 'bios'모방이나 흉내를 의미하는 'mimesis' 이 두 개의 그리스 단어에서 따온 단어로, 이름에서 알 수 있듯이 생체모방은 자연에서 볼 수 있는 디자인적 요소들이나 생물체의 특성들의 연구 및 모방을 통해 인류의 과제를 해결하는 데 그 목적이 있다. [위키백과]

 

생체모방학이라는 말을 처음 알았을 때 아주 어렵게만 생각되었으나 우리가 잘 알고 있는 ‘찍찍이’가 생체모방학의 아이디어라고 하니 친숙한 생각이 들었습니다. '찍찍이'라는 별명이 붙어 있는 벨크로, 즉 섬유부착포생체모방공학의 초기 예라고 하는데요. 1941년 스위스 전기기술자인 조지 드 메스트랄(George de Mestral)이 사냥을 하고 돌아오는 길에 자신의 옷에 도꼬마리가 잔뜩 붙어 있는 것을 발견하고 떼어 내려고 털어내도 잘 떨어지지 않아 호기심이 생겨 현미경으로 들여다보니 갈고리 모양의 도꼬마리 끝 부분이 섬유 올에 고리처럼 걸려 있었고 합니다. 여기서 아이디어를 얻어 쉽게 붙으면서 약간 힘을 주면 떨어지는 부착포를 개발해 크게 성공했다고 합니다.


<그림출처:위키피디아, http://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%8C%8C%EC%9D%BC:Xanthium_strumarium_L.jpg>

 

이러한 생체모방학을 본격적으로 알린 사람재닌 베이어스(Janine Benyus) 라는 여자 과학자라고 하니 더욱 반갑습니다. 1997년 “생체모방: 자연이 가져다준 혁신” 이라는 책을 발표하면서 학문 분야로 발전되었습니다.

  

도마뱀처럼 달라붙는 로봇, 스티키봇


<그림출처: 위키피디아, http://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%8C%8C%EC%9D%BC:Gekko_japonicus.JPG>

 

2006년 미국 타임지에서 최고의 발명품 중 하나로 선정한 도마뱀 로봇 스티키봇도마뱀의 발바닥에서 영감을 얻어 연구되었다고 합니다. 그 당시 스탠포드대학에서 한국 유학생으로 있던 김상배님께서 연구한 로봇이라 우리나라에서 소개가 많이 되었다고 하는데요. 마뱀붙이(Gecko) 발바닥 구조에 대해 연구하고 끈적끈적함의 원천이 무엇인지 고민하여 만들어진 로봇이라고 합니다. 도마뱀의 발바닥은 미세한 섬유조직으로 이뤄져 있고 발가락의 털 수백만 개는 도마뱀이 벽에 한번 달라붙으면 쉽게 떨어지지 않지만, 발걸음을 옮길 때는 사뿐하게 움직이도록 해주는데 이 같은 원리를 스티키봇에 적용했다고 합니다.

 

전신 수영복의 비밀, 상어


<그림출처: 위키피디아, http://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%8C%8C%EC%9D%BC:Carcharhinus_melanopterus_Luc_Viatour.jpg>


예전 수영선수들은 수영복이 차지하는 면적이 작을수록 물의 저항을 덜 받는다고 생각하여, 되도록 몸이 드러나는 수영복을 선호하였으나 2000년 시드니 올림픽 때 호주의 ‘이언소프’라는 수영선수가 전신수영복을 입고 나와 3관왕을 차지하며 세계적 화제를 불러 모았습니다. 상어가 어떻게 빨리 헤엄칠 수 있는지 연구한 끝에 얻은 성과가 수영복에 고스란히 적용되었다고 합니다. 상어 피부 표면에 대한 조사를 진행한 결과 비늘의 미세한 돌기들이 발견되었고 이 돌기가 물과 충돌하며 만들어내는 작은 소용돌이들이 표면을 흐르고 지나가는 큰 물줄기를 막아주는 '코팅제' 역할을 해서 마찰이 최소화된다는 사실을 알게 되었습니다. 매끄러울수록 유체 저항이 적다는 기존의 상식과 정반대였으며 매끄러운 표면보다 작은 돌기들이 표면을 흐르면서 저항을 더 줄여주는 것을 발견했다고 합니다.

 

물총새의 부리를 닮은 고속열차


       신칸센 고속열차                             물총새

<그림출처(좌): 위키피디아, http://ko.wikipedia.org/wiki/%EA%B3%A0%EC%86%8D%EC%B2%A0%EB%8F%84> <그림출처(우):위키피디아, http://en.wikipedia.org/wiki/Common_Kingfisher>


일본의 신칸센 고속열차는 한 시간에 200마일 이상을 주파하면서도 소음 때문에 문제가 발생하여 신칸센 열차의 엔지니어들이 자연으로 눈을 돌리면서 물총새가 대기 중에 빠른 속도로 물속으로 다이빙할 때도 거의 물을 튀기지 않은 것을 발견하였습니다. 물총새의 부리 모양을 본떠 열차의 앞면을 디자인하니 이전보다 훨씬 조용한 고속열차를 탄생시킬 수 있었다고 합니다.

 

물속에서도 젖지 않는 연잎 효과


<그림출처(상): 플리커, http://www.flickr.com/photos/budak/2358787358/> <그림출처(하): 위키미디어, http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/13/Lotus3.jpg>

 

연잎은 물이 떨어져도 젖지 않고 물방울이 뭉쳐 떨어지지요. 먼지 입자 역시 돌기에 밀려 퍼지지 않고 물방울과 함께 쉽게 떨어져 나가기 때문에 오염 물질이 묻지 않고 항상 깨끗함을 유지한답니다. 이러한 특성을 이용하여 외장형 페인트, 방수 효과와 오염 물질에 강한 옷감 등 아주 많은 곳에 응용된다고 합니다.

 

최근에는 국내 연구진에 의해 물속에서도 젖지 않으면서 전원 없이도 저장된 정보를 유지할 수 있는 차세대 비휘발성 메모리 소자 개발에 연잎 효과가 적용되었다고 합니다. 물방울이 연잎 표면을 적시지 않으면서 먼지 등을 씻어내는 자가세정, 방수효과, 결빙방지 등의 특성을 이용물속에서도 젖지 않으면서 자가세정 효과가 있는 저항 메모리 소자를 개발했다고 하는데요. 향후 수되는 컴퓨터와 스마트폰 개발에 적극 활용될 수 있다고 하니 앞으로 수영장에서도 맘 편히 스마트폰을 사용하게 될 것 같다는 생각이 듭니다.

 

이뿐만이 아닙니다. 거미줄을 이용한 신소재를 개발수술 시 상처를 꿰매는 실로 적용할 수 있게 했으며 몸속에서 저절로 녹기 때문에 수술 후 실을 제거하기 위해 다시 병원을 찾을 필요가 없다고 합니다. 의료영역에서는 거미줄 외에도 모기의 침에서 힌트를 얻어 아프지 않은 주사바늘을 만들기도 합니다. 박쥐의 초음파에서 레이더를 생각해 내고, 파리에 있는 에펠탑은 인간의 인체 구조를 모방하여 세워졌고, 벌집의 정육각형 모양도 비행기나 집의 내부재에 이용되고 있다니 참으로 무궁무진합니다.

 

자연은 훌륭한 스승, 자연에서 배우는 과학

 

열거된 부분만 봐도 인간이 만들어낸 위대한 발명품들 대부분이 자연에서 그 원리를 얻은 경우가 정말 많았습니다. 이처럼 연은 우리의 삶에 있어 없어서는 안 될 중요한 일부분입니다. 


자연은 항상 우리의 스승이고 우리에게 모든 것을 아낌없이 줍니다. 이러한 자연에 우리는 좀 더 감사하는 마음을 가지고 더 이상 자연이 훼손되지 않도록 노력하는 자세가 필요하지 않을까요? 

 

생체모방학디자인, 과학, 의약, 컴퓨터 공학, 농업에 이르기까지 적용할 수 있는 분야가 무궁무진합니다. 잘 해결하지 못하는 문제가 있다면 자연을 돌아봅시다. 해결하지 못한 문제의 답은 가장 가까운 자연 속에 있을지 모릅니다. 어떠세요. 오늘부터라도 가만히 자연의 소리에, 모습에 귀와 눈을 함께 해보세요. 연과 더 가까워질수록, 그리고 자연에 대해 더 알게 될수록 우리는 더 창의적인 삶을 살 수 있을 듯합니다.


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