문제를 해결하려면, 자연을 보라 : 생체모방공학의 새로운 소식들 : 창조 설계-동물 [한국창조과학회 자료실]

문제를 해결하려면, 자연을 보라 : 생체모방공학의 새로운 소식들

미디어위원회

창조설계-동물

2023-09-26

문제를 해결하려면, 자연을 보라

: 생체모방공학의 새로운 소식들

(To Solve Problems, Look to Nature)

David F. Coppedge

자연을 관찰하고 배우기만 하면, 풍부한 공학적 해법이 우리 주변에 널려 있다.

솔로몬 왕은 게으른 자에게 "개미에게 가서 그가 하는 것을 보고 지혜를 얻으라"(잠 6:6)고 말했다. 오늘날 과학자들은 인간이 해결해야 할 문제를 능숙하게 해결하는 동물들을 관찰하고, 거기에서 영감을 얻는, 자연에서 지혜를 찾는 일을 계속하고 있다. 자연에서 얼마나 많은 놀라운 발명품이 더 나올지 누가 알 수 있을까? 모방(imitation)이 가장 진실한 형태의 찬사라면, 과학자들은 (때로는 무의식적으로) 이러한 생물을 모방함으로써 창조주께 영광을 돌리고 있는 것이다.

곤충

매미는 자가-청소되는 비밀의 표면을 갖고 있을 수 있다(The Conversation, 2023. 7. 12). 워릭 대학(University of Warwick)의 스리하리 페루마나스(Sreehari Perumanath)는 생체모방(biomimetics)에서 영감을 받아, 다른 사람들이 자연에서 영감을 얻도록 안내하고 있었다.

자연은 과학자들에게 항상 영감을 주고 있다. 비버(beaver)에서 영감을 받은 초-보온 잠수복(super-warm wetsuits)처럼, 아직 연구 중인 아이디어도 있다. 하지만 벨크로(velcro, 우엉(burdock)에서 착안)나 일본 신칸센(물총새의 길고 좁은 부리를 모방)처럼 이미 생활의 일부가 된 아이디어도 있다.

매미(cicadas)는 최근 우리 팀의 자가-청소 표면(self-cleaning surfaces)에 대한 연구에 영감을 주었다.

페루마나스는 이 우아한 해결책의 공로를 다윈에게 돌리고 있었다 :

자가-청소되는 몸체를 진화시킨 곤충은 매미 하나만이 아니다. 많은 나비(butterflies)들이 스스로 청소될 수 있는 날개를 갖고 있다. 도마뱀붙이(geckos)와 같은 동물과, 연꽃(lotus), 벼(rice)와 같은 특정 식물의 잎은, 매미처럼 물방울 운동을 사용하여 먼지를 스스로 제거한다.

그는 매미의 날개가 깨끗하게 유지되는 메커니즘을 연구하다가 그 아이디어를 얻었다. 연구팀은 아침 이슬에 맺힌 물이 날개에 맺혔다가 떨어지면서 먼지와 박테리아를 함께 운반하는 것을 관찰했다. 이는 물을 튕겨내는 왁스 코팅(waxy coating)과, 물이 표면에 침투하지 못하도록 막는 미세한 원뿔 모양의 구조(cone-shaped structures)라는 두 가지 메커니즘에 의해 발생하고 있었다. 물방울이 합쳐졌다가, 떠오르는 열기구처럼 튀어 오르는 것이다. 고층 빌딩의 창문, 카메라 렌즈, 태양전지판이 이 기술을 모방한다면, 어떤 이점이 있을지 생각해 보라.

미래의 엔지니어들은 매미 날개에서 배운 것을 제품 설계에 통합할 수 있을 것이고, 자가 청소되는 매미 날개처럼, 더 이상 유리창과 기타 표면을 물을 뿌리며 닦을 필요가 없을지도 모른다.

과학자들은 슈퍼컴퓨터를 사용하여, 매미 날개가 박테리아를 죽이는 방법을 알아냈다. (Oak Ridge National Laboratory, 2023. 7. 12). 한편, 오크리지 국립연구소의 과학자들은 서밋 슈퍼컴퓨터(Summit supercomputer)를 이용하여, 매미의 날개(cicada wings)가 박테리아를 제거할 뿐만 아니라, 실제로 박테리아를 죽이는 방법을 알아냈다. 어떻게? 매미 날개는 "나노 기둥(nanopillars)"들로 덮여 있는데, 박테리아의 세포막이 파열 지점까지 늘어나는 방식으로 간격을 두고 있었다. 그런 다음 날개는 워릭대학 연구팀이 설명한 점프 메커니즘을 통해 박테리아의 사체를 떨어뜨린다. 오크리지 국립연구소(ORNL) 엔지니어들은 "자연적으로 박테리아를 죽이고, 스스로 자가-청소되는 나노기둥을 재현했다.

나비의 첫 비행은 동력과 전기를 생산하는 새로운 방법에 영감을 준다(Singapore Institute of Technology and Design, via Phys.org, 2023. 7. 25). 나비가 날개를 펼치는 방식에서 영감을 얻는 것은 무엇일까? 바로 소재(material)이다.

날개를 펼치는 동안, 나비의 시맥을 통해 혈액이 펌프질 되고, 키틴질 물질은 탈수되고, 비행에 필요한 독특한 강도와 뻣뻣함을 제공하기 위해 소재의 분자들은 재조직된다. 이러한 힘, 물의 움직임, 분자 조직의 자연적 결합은 하비에르 페르난데스(Javier G. Fernandez) 교수의 연구에 영감을 불어넣었다.

연구자들이 만든 기계손(mechanical hand)은 그립력을 제공하여, 인공 근육의 가능성을 열어주었다. 이것뿐만 아니라, 이 소재는 탈수되면서 에너지를 흡수했다. 측정 결과 "습도 변화에 반응하여, 피막의 기계적 움직임은 소형 전자기기에 전력을 공급하기에 적합한 전류로 변환되는 것으로 나타났다"는 것이다.

파충류

새끼 거북에서 영감을 받은 로봇은 모래 속에서 헤엄칠 수 있다(UC San Diego, 2023. 7. 18). 일러스트라 미디어(Illustra Media)의 다큐멘터리 ‘리빙 워터스(Living Waters)’에서 발췌한 아래 영상은 바다거북 새끼가 모래 밑 둥지에서 나와 물속으로 돌진하는 모습을 보여준다.

(동영상은 여기를 클릭)

어떤 생물에게도 모래 속을 이동하는 것은 어려운 일이며, 이를 수행할 수 있는 로봇을 만드는 것은 큰 도전이다. 캘리포니아 대학(UC San Diego)의 엔지니어들은 바다거북 새끼가 그들의 지느러미발(flippers)을 사용하여 모래에서 '헤엄치는' 능력에 영감을 받아, 이를 모방한 로봇을 만들기로 했다.

연구팀은 거북을 관찰하는 것은 모래 속을 파헤치고 나아갈 수 있는 로봇을 개발하는 데 핵심이 될 것이라고 믿고 있었다. 연구팀은 벌레들을 숙고한 후에, 부화하는 바다거북을 살펴보았다. 거북은 확대된 앞 지느러미발이 부화 후 표면으로 올라오도록 해주고 있었다. 거북이가 갖고 있는 지느러미발(flippers)은 큰 추진력을 생성하고, 방향을 조종할 수 있으며, 장애물을 감지할 수 있는 잠재력을 갖고 있다.

연구자들의 첫 번째 모래 로봇(sand bots)은 어느 정도 성공을 거두었지만, "과학자들은 지느러미발과 같은 부속물을 가진 로봇이 모래 속에서 어떻게 움직이는지 아직 완전히 이해하지 못하고 있다"고 한다. 로봇은 저항이 많은 젖은 모래에서는 속도가 느려졌지만, 새끼 거북이는 모래 속을 빠르게 통과했다. 살아있는 거북이는 장애물을 감지하고 방향을 잡는 데 더 능숙하다.

캘리포니아 대학의 엔지니어들은 자연의 모래 수영선수를 따라잡기 위해서는 많은 노력을 해야할 것이다. 그들이 그러한 로봇을 개발한다면, 그것은 "곡물저장고 검사, 토양 오염물질 측정, 해저 굴착, 외계행성 탐사, 수색 및 구조"에 도움이 될 수 있을 것이다.

포유류

박쥐에서 영감을 받은 드론으로, 온실 해충을 퇴치하기(Society for Experimental Biology via Phys.org, 2023. 7. 5). 네덜란드 와게닝겐 대학(Wageningen University)의 박사 과정 학생인 다요 얀센(Dayo Jansen)은 온실(greenhouses)에서의 해충 문제를 해결했다. 그는 날아다니는 곤충을 잡아먹는 박쥐에서 영감을 얻어, 드론을 훈련시켜 해충을 찾아 파괴할 수 있을지를 숙고했다. 나방(moths)은 식량 작물을 재배하는 대형 온실에 침입한다(해충 관리 전문가를 위한 관련기사 참조).

얀센은 나방의 비행 패턴을 연구한 후, 드론을 나방에 맞춰 훈련시켰다. 안타깝게도 나방은 드론의 윙윙거리는 소리에 겁을 먹었다. 그는 나방에게 초음파를 조준하여, 나방이 헤드라이트에 비춰진 사슴처럼 제자리에 얼어붙게 만들었다. 기사에는 드론이 나방을 잡아먹었는지는 나와 있지 않다. 하지만 그는 이 모든 작업을 하면서, 왜 살아있는 박쥐를 온실 내에 두는 것을 고려하지 않았을까? 아마도 드론을 사용한 이유 중 하나는 나방의 사체가 비료로 사용될 수 있기 때문일 것이다.

캘리포니아는 한때 골칫거리로 여겨졌던 비버를 활용하여, 물 부족 문제와 산불 문제를 해결하려고 한다.(Associated Press, 2023. 7. 26). 캘리포니아는 산불, 생물다양성 손실, 지하수 고갈 등의 문제를 안고 있다. 이러한 위기를 완화하기 위해 비버(beavers)를 사용하려고 하고 있었다. 초기 토지 소유주들은 비버를 나무와 관목을 씹어 먹고, 개울을 막는, 해로운 동물로 여기는 경우가 많았다. 이제 그렇지 않다 :

최근 캘리포니아는 정책을 바꾸어, 현재 도시 지역으로 생물 종들을 유인하고, 지하수 공급을 강화하며, 산불의 위협으로부터 완충 역할을 하는 울창한 서식지를 조성할 수 있도록 비버를 이용하려고 한다.

일부 주 공무원들은 로봇 비버를 만드는 대신에, 살아있는 비버를 고용하여, 주를 위한 생태계 엔지니어로 근무시키기를 원하고 있었다. 비버가 자연스럽게 할 수 있도록 내버려두면 된다는 것이다.

쥐(rats)에서 바람 감지 안테나 역할을 하는 안와상 수염.(PLoS Biology, 2023. 7. 6). 우즈홀 해양연구소(Woods Hole Marine Laboratory)의 과학자들은 쥐의 수염에 관심이 있었다. 쥐의 얼굴에 있는 안와상 수염(supra-orbital whiskers, 뻣뻣한 수염)이 바람 센서 역할을 하는지에 대한 호기심이 생겼기 때문이었다. 8명의 과학자로 구성된 연구팀은 뻣뻣한 수염을 깎은 다음 쥐의 행동을 관찰한 결과, 수염이 '주풍성(anemotaxis)' 또는 바람 감지 기능을 제공한다는 사실을 발견했다. 수염을 깎았을 때, 감각을 못하는 쥐는 공기의 흐름에 반응하여 몸을 돌리지 않았다.

논문에서는 이 지식의 응용에 대해 언급하지 않았지만, 순수 과학은 종종 발명의 선구자 역할을 한다. 어떤 엔지니어는 이 연구 결과를 참고하여, 쥐의 수염에서 영감을 받은 기류 센서를 만들 수도 있을 것이다.

식물

장미에서 영감을 받아, 혁신적으로 부드럽게 붙잡는 로봇 그리퍼(Japan Advanced Institute of Science and Technology, 2023. 7. 12). 여러 종류의 물체를 집어 올릴 수 있는 그립 장치(gripping device)에 대한 영감은 장미 꽃잎이 열리고 닫히는 방식에서 나왔다.

광합성의 공학, 자연의 탄소 포집 분자기계(PLoS Biology, 2023. 7. 14). 식물과 광합성 미생물들은 햇빛을 포집하여 식량을 만드는, 상당히 단순해 보이는 일을 계속하고 있다. 이 논문은 광합성이 효율적인 과정이 아니라고 주장하고 있지만, 광합성은 지구상의 생명체 대부분을 책임지고 있다. 식물이 필요한 것보다 더 많은 햇빛 에너지를 추출하지 않는다. 그 이유는 광센터의 타버림과 과열을 방지하기 위한 것이다. 그 외에도 걱정해야 할 다른 많은 기능들이 있다. 엔지니어들이 광합성을 개선하는 데 성공한 적이 있을까? 아니다. 그들의 모델에서만 광합성이 일어나는 것을 볼 수 있었다. 이 논문은 실험적 또는 공학적 성공에 관한 것이 아니라, 희망에 관한 실험인 것이다. 저자인 메간 매튜스(Megan Matthews)는 생체모방보다 기후 변화에 대해 더 걱정하는 것처럼 보인다.

세포

데이터 저장을 위한 DNA의 엄청난 잠재력 포착(National University of Singapore, 2023. 7. 11). 컴퓨터 데이터의 저장 매체로서 DNA의 사용이 또 다시 뉴스에 등장했다. 핵산에 들어있는 정보의 '엄청난 잠재력' 때문에, 마이크로칩 대신 DNA를 사용하면, '글로벌 데이터 과부하'를 해결할 수 있다는 것이다. 연구원 중 한 명은 "우리가 DNA 데이터 저장의 경계를 확장하려는 것처럼, 생물학적 시스템과 디지털 시스템 간의 인터페이스를 연결하는 것에 대한 관심이 증가하고 있다"라고 말했다.

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진화 생물학자들은 늘상 ‘만물 우연발생의 법칙(Stuff Happens Law)’을 통해 만물이 어떻게 "출현"했는 지에 대한 진화 이야기를 지어내고 있다. 또한 빅 사이언스와 빅 미디어들은 편향된 주장만을 전달한다. 하지만 좋은 경험적 과학은 우리의 삶을 개선할 수 있는 잠재력을 갖고 있다. 과학자들이 생물들로부터 모방하려고 하는 이러한 고도로 정교한 구조와 기관들이 모두 무작위적인 돌연변이들에 의해서 우연히 생겨났는가? 아니다. 그럴 수 없어 보인다. 생체모방공학(biomimetics)에 종사하는 연구자들에게 더 많은 힘을 실어주라!