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생체모방공학의 최근 소식 : 리그닌, 가오리, 초파리를 모방한 공학기술

생체모방공학의 최근 소식 

: 리그닌, 가오리, 초파리를 모방한 공학기술

David F. Coppedge


     자연의 생물들이 어떻게 물질을 다루고 조직하는지를 모방할 수 있다면, 세상은 더 좋고 지속 가능한 곳이 될 것이다.


리그닌으로 생분해성 용기의 제조(Aalto University). 식물의 딱딱한 조직에서 발견되는 리그닌(lignin)은 지구상에서 가장 풍부한 재료이며, 에너지 또한 풍부한 물질 중 하나이다. 그러나 지금까지 과학자들은 생분해성 물질로 활용할 수 없었다. 농부들은 그것을 태우거나 버려버리고 있었으나, 진균류는 그것을 분해하여 생물권 내로 재순환시킬 수 있다. 이제 변화가 일어나고 있다. 핀란드 알토대학(Aalto University) 과학자들은 볼(ball)과 같은 리그닌 입자를 만들었는데, 이것은 ”리그닌(lignin) 활용에 있어서 완전히 새로운 가능성을 열고 있다”는 것이다. 이 생물-영감 연구의 장점은 많은 국가에서 고민하고 있는, 해양 오염의 주요한 오염원인 플라스틱의 양을 획기적으로 줄일 수도 있다는 것이다.

”리그닌을 사용할 수 있는 방법은 거의 무제한이다”라고 보도 자료는 말한다. 리그닌은 코팅, 합판, 생화학물질, 연료, 자동차 및 항공기의 탄소섬유 등에 사용될 수 있으며, 훨씬 많은 분야에서 유해한 화학물질을 대체할 것이다. 그러나 그것의 구조는 복잡하고 복제하기가 어렵다. 대학의 연구자들은 물과 쉽게 혼합될 수 있고, 잠재적으로 다양한 형태로 성형될 수 있는, 리그닌 나노입자를 만드는 방법을 발견했다. 그들은 Nature Communications(2018. 6. 12) 지에 그 결과를 발표했다. 성공적으로 진행된다면, 플라스틱 공해를 줄일 수 있으며, 폐기물을 재활용할 수 있는, '순환 경제'로 발전할 수 있다는 것이다. 이것은 많은 자연 보호론자들이 도달하기 원했던 목표이기도 하다.

*관련보도 : 진화하는 목재의 변신은 무죄 (2018. 3. 18. ScienceTimes)
리그닌 응용 분야 동향 (2016. 8. 17. Bric)


가오리로부터 영감된 프로그래밍 가능한 형태와 동작의 3D 구조(Nature Communications. 2018. 9. 12). 로봇을 부드럽게 만들 수 있을까? 그렇게 될 수 있다는 것이다. 그래서 물고기와 같은 살아있는 생물과 더 가깝게 로봇을 만들 수 있다는 것이다. Nature Communications 지에 게재된 논문에서, 과학자들은 노랑가오리(stingrays)에서 영감을 얻어, ”소프트 로봇공학, 프로그램 가능 물질, 생체모방 제품”을 만들기 위해서 성형 및 작동될 수 있는 하이드로 겔(hydrogels, 부드러운 물질)을 만들고 있었다. 이 논문에서 '진화(evolution)'에 대한 유일한 언급은 다윈주의와는 아무런 관련이 없었으며, 오히려 실험적 설계의 '형태적 진화(발전)'과 관련되어 사용되고 있었다. 실제로 '설계(design)'라는 단어는 논문 전체에 걸쳐 발견되고 있다. 예를 들어 :

이 작업(그림 3, 4)에서 확립된 설계 규칙은 방대한 계산 없이, 복잡한 3D 구조를 구축 할 수 있는 간단하면서도 다양한 방법을 제공한다. 이 능력을 입증하기 위해서, 우리는  K < 0 (그림 4k-n)인 가슴지느러미를 포함하여, 노랑가오리의 주요 형태학적 특성을 복제한, 가오리에서 영감 받은 3D 구조를 제작했다. 우리는 가오리의 3D 이미지, K, 가오리의 수영 동작을 기반으로 한, 다중모듈 구조를 설계했다.(Fig. 4k, l, Supplementary Figure 13). 몸체와 가슴지느러미에 대한 성장 기능은 Figs. 3, 4a–j (Supplementary Note 5)에서 보여지는 설계 규칙을 사용하여, 선형 연결체(Fig. 4l)와 함께 설계되고 병합되었다. 예를 들어, 연결체와 몸체구조 모듈은 신체에 대한 좌우 가슴지느러미의 방향을 제어하여, 운동을 동시에 일어날 수 있도록 하는 전이적 구성 요소로 사용되었다.(Supplementary Figure 14). 또한, 가오리에서 영감을 받은 이 구조는 가오리의 것을 모방하여, 온도 사이클(31.5~33.5°C)에 반응하여, 다양한 유형의 진동 날개짓 운동을 생성하도록 설계되었다.(Supplementary Movies 3, 4).


참신한 비행 로봇은 빠른 곤충의 비행을 모방했다. (TU Delft and Wageningen University). ”델플라이 님블(Delfly Nimble): 가장 민첩한 파리에서 영감을 얻은 로봇”에 대한 비디오를 보라. 정말 멋지다! 그것은 앞으로도, 옆으로도 날아갈 수 있고, 초파리처럼 공중에서 유턴, 뱅크드 턴(banked turn), 배럴 롤(barrel roll) 등 현란한 비행 동작을 수행할 수 있다. 별도의 날개 구동장치(wing actuators)가 이전의 MAVs(micro air vehicles)보다 더욱 좋은 유연성을 제공하고 있었다. 그 로봇은 빠르게 가속할 수 있고, 공중정지 비행을 할 수 있다. 델플라이 님블은 새로운 응용 분야를 열고 있으며, 초파리(로봇보다 55배나 작음)가 어떻게 그러한 곡예비행을 수행하는지를 이해하는 데에 도움이 될 것이었다.

동물들의 비행은 복잡한 날개의 운동패턴과 항공역학을 연구하는, 그리고 그러한 민첩한 비행 도중의 감각 및 신경-모터 시스템을 연구하는 생물학자들의 관심을 끌어왔다. 최근 비행 동물은 또한 민첩하고, 전력 효율적이며, 곤충 크기로 축소 가능한, 경량 비행 로봇을 개발하려는 로봇 연구자에게 영감의 원천이 되어왔다.

그림 1. Science(2018. 9. 14) 지 논문에서의 사진

이 발명품은 최근 Science 지에 게재되었다. 로봇 하나 발명하는 데에도 똑똑한 연구자들의 고도로 복잡한 설계와 공학기술과 전자부품들이 필요하다면, 이 로봇보다 훨씬 소형이며, 알을 낳고, 자신과 동일한 생물을 복제해낼 수 있는, 훨씬 더 복잡하고 다양한 종류의 비행곤충들이 생각도 없고, 방향도 없고, 무작위적 복제 오류인 돌연변이들에 의해서 모두 우연히 생겨날 수 있었을까? 조금만 생각해 보라.

*관련기사 : 곤충 모방 비행로봇으로 초파리 비행 완벽 재현 (2018. 9. 14. 연합뉴스)
곤충 모방 비행로봇으로 초파리 비행 완벽 재현 (2018. 9. 14. 문화일보)



많은 과학 분야에서 진화론은 설자리가 없어지고 있다. 오늘날 진정한 과학이 필요하다.

 


번역 - 미디어위원회

링크 - https://crev.info/2018/09/bio-inspired-technologies/

출처 - CEH, 2018. 9. 18.

구분 - 4

옛 주소 - http://www.kacr.or.kr/library/itemview.asp?no=6922

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