생체공학

1. 개요

생체공학은 자연의 생물학적 구조, 기능, 원리를 모방하여 기술적 문제를 해결하고 새로운 시스템을 개발하는 학문 분야이다. 이는 레오나르도 다 빈치의 비행 기계 설계처럼 오래전부터 존재해 왔으며, 1950년대 오토 슈미트에 의해 "생체모방"이라는 용어가 사용되면서 현대적인 개념으로 자리 잡았다. 생체공학은 벨크로, 고양이 눈 반사경, 스마트 의류, 인공 와우 등 다양한 분야에서 혁신적인 기술 개발에 기여하고 있으며, 의학에서는 장기나 신체 부위 대체 및 향상에 활용된다. 또한, 비즈니스, 정치 등 다양한 분야에서 생체 모방의 원리를 적용하려는 시도가 이루어지고 있다.

2. 역사

"생체 모방"이라는 이름은 1950년대 오토 슈미트에 의해 만들어졌다. "바이오닉스"라는 용어는 1958년 8월 잭 E. 스틸이 데이턴의 라이트-패터슨 공군 기지 항공 부서에서 일하면서 소개했다. 하지만, 의학 용어 "바이오닉스"와의 혼동을 피하기 위해 바이오미미크리 또는 생체 모방과 같은 용어가 선호된다.

모든 공학은 생체 모방적 측면을 가지지만, 이러한 생각의 기원은 버크민스터 풀러로 알려져 있으며, 자닌 베니어스가 이를 학문 분야로 확립했다.

3. 방식

생체모방은 단순히 생물학적 구조를 모방하는 것을 넘어, 자연에서 발견되는 기능을 구현하는 것을 강조한다. 예를 들어, 컴퓨터 과학에서 사이버네틱스는 지능적인 행동에 내재된 피드백 및 제어 메커니즘을 모델링하는 반면, 인공 지능은 특정 달성 방법에 관계없이 지능적인 기능을 모델링한다.

사례 기반 추론(CBR)은 자연을 이미 작동하는 해결책의 정보집합체로 본다. 옹호자들은 선택압이 모든 자연 생명체들이 실패를 최소화하고 제거한다고 주장한다.

거의 모든 공학이 생체 모방의 한 형태라고 할 수 있지만, 이 분야의 현대적 기원은 일반적으로 벅민스터 풀러에게 있으며, 이후 자닌 베니어스에 의해 연구 분야로 체계화되었다.

기술을 모델링할 수 있는 동물군 또는 식물군에는 일반적으로 세 가지 생물학적 수준이 있다.

* 자연 제조 방법 모방
* 자연에서 발견되는 메커니즘 모방 (예: 벨크로)
* 유기체의 사회적 행동에서 조직 원리 연구 (예: 새의 무리 행동, 개미 채집 및 벌 채집 최적화, 물고기 떼의 군집 지능 (SI) 기반 행동)

4. 생체모방의 예시

레오나르도 다 빈치의 비행기와 날아다니는 배는 일찍이 공학에서 자연으로부터 영감을 얻은 예시이다.

생체모방은 로봇 공학, 컴퓨터 과학, 건축, 정치, 비즈니스 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.

4.1. 기술 및 산업

* 벨크로는 생체모방의 가장 유명한 예시이다. 1948년, 스위스의 공학자 조지 드 메스트랄은 산책 중에 개의 털에 붙은 도꼬마리 열매를 제거하다가 도꼬마리의 갈고리가 털에 달라붙는 방식을 깨달았다.

* 19세기 초반, 나무를 손으로 베던 시절에 사용되었던 벌목꾼 날의 뿔 모양, 톱니 모양 디자인은 나무를 갉아먹는 딱정벌레의 관찰을 모델로 삼았다. 이 날들은 훨씬 더 효율적이었고, 따라서 목재 산업에 혁명을 일으켰다.

* 고양이 눈 반사경은 고양이 눈의 메커니즘을 연구한 후 1935년 퍼시 쇼에 의해 발명되었다. 그는 고양이가 아주 작은 빛을 반사할 수 있는 휘판으로 알려진 반사 세포 시스템을 가지고 있다는 것을 발견했다.

* 레실린은 절지동물에서도 발견되는 물질을 연구하여 만들어진 고무 대체재이다.

* 줄리안 빈센트는 솔방울 연구를 통해 2004년 기온 변화에 적응하는 "스마트" 의류를 개발했다. 그는 "저는 습도 변화에 따라 형태가 변하는 무생물 시스템을 원했습니다."라고 말했다. 솔방울은 습도가 높아지면 비늘을 열어 (씨앗을 퍼뜨리기 위해) 반응한다. "스마트" 직물도 마찬가지로, 착용자가 덥고 땀을 흘릴 때는 열리고 추울 때는 닫힌다.

* 비행 속도와 지속 시간에 따라 형태가 변하는 "형상 변환 항공기 날개"는 2004년 펜실베이니아 주립 대학교의 생체 모방 과학자들에 의해 설계되었다. 형상 변환 날개는 비행 속도에 따라 날개 모양이 다른 다양한 조류 종에서 영감을 받았다. 항공기 날개의 형태와 기본 구조를 변경하기 위해, 연구자들은 덮개를 변경할 수 있어야 했다. 그들은 날개를 서로 미끄러질 수 있는 물고기에서 영감을 받은 비늘로 덮음으로써 설계를 구현했다. 어떤 면에서는 이는 가변익 설계의 개선이다.

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* 일부 페인트와 지붕 타일은 연꽃의 메커니즘을 모방하여 자체 세척되도록 설계되었다.

* 콜레스테릭 액정(CLCs)은 어항 온도계나 온도 변화에 따라 색상이 변하는 무드 링을 제작하는 데 자주 사용되는 박막 재료이다. 이들은 분자가 나선형 또는 키랄 배열로 정렬되어 있고, 온도에 따라 나선형 구조의 피치가 변하여 다른 파장의 빛을 반사하기 때문에 색상이 변한다.

* 나노 구조와 나비 날개의 반짝이는 색상을 만들어내는 물리적 메커니즘은 사우스햄튼 대학교 전자 및 컴퓨터 과학 교수 그레그 파커와 연구 학생 루카 플랫너가 광학 분야에서 인 실리코로 재현했다. 이는 전자 대신 광자를 정보 전달자로 사용하는 전자 공학이다.

* 푸른 모르포 나비의 날개 구조를 연구하여 물과 금속을 통해 읽을 수 있는 RFID 태그를 만들기 위해 빛을 반사하는 방식을 모방했다.

* 나비의 날개 구조는 또한 폭발물을 감지하는 새로운 나노센서 제작에 영감을 주었다.

* 뉴로모픽 집적 회로 칩과 실리콘 망막은 실제 생물학적 신경 네트워크를 모델로 한 배선을 가지고 있다.

* 테크노 생태계 또는 '에코 사이보그' 시스템은 생태 기능을 모방하는 기술적 프로세스에 자연 생태학적 프로세스를 결합하는 것을 포함한다. 이것은 자기 조절 하이브리드 시스템의 생성을 초래한다.

* 아교와 작은 나노 털을 포함하는 의료용 접착제는 게코의 발에서 발견되는 물리적 구조를 기반으로 개발되고 있다.

* 컴퓨터 바이러스는 또한 생물학적 바이러스와 유사성을 보이며, 자기 복제 및 확산을 위해 프로그램 지향적 정보를 공격한다.

* 하라레의 이스게이트 센터 건물의 냉각 시스템은 매우 효율적인 수동 냉각을 달성하기 위해 흰개미집을 모델로 했다.

* 홍합이 바위, 부두 및 보트 선체에 붙는 것을 가능하게 하는 접착제는 혈관을 위한 생체 접착성 젤에 영감을 주었다.

* 생체공학 분야는 다른 장점과 함께 더 큰 민첩성을 제공하는 새로운 항공기 설계에 영감을 주었다.

* 식생의 보호와 복원을 위해 그 기능을 인공적으로 모방한 인공 식생。

* 상어의 피부를 모방한 특수한 무늬가 들어간 수영용 수영복。

* 도마뱀붙이의 손가락 미세 구조를 모방한 점착제 없는 점착 테이프。

* 나방의 눈 구조를 모방한 무반사 필름。

* 귀뚜라미의 감각모나 넓적배사슴벌레의 더듬이에서 단서를 얻은 고감도 센서.

* 부엉이의 깃털 구조에서 단서를 얻은 소음을 줄이는 신칸센의 팬터그래프。

* 물총새의 부리 모양을 모방하여 터널에 들어갈 때 소음을 줄인 신칸센의 선단 부분。

* 달팽이의 껍질 구조에서 단서를 얻은 방오 제품。

* 모기의 입 구조를 모방한 무통 주사침。

* 잠자리 · 독수리 · 알바트로스를 참고한 고효율, 저소음 에어컨 시스템。

* 잠자리를 참고한 경량 드론。

* 거미줄의 강도에 가까워진 섬유 (스파이 버)。더 강력한 애벌레의 실。

* 자리공의 발열 제어 알고리즘이 에너지 절약으로 이어지는 것이 발견되었다。

4.2. 의학

의학에서 생체공학은 장기나 신체 부위를 기계적인 버전으로 대체하거나 향상시키는 것을 의미한다. 생체공학적 임플란트는 단순히 원래 기능을 매우 가깝게 모방하거나 심지어 능가한다는 점에서 일반적인 보철물과 다르다.

생체공학 임플란트를 가능하게 하는 기술은 점진적으로 발전하고 있으며, 이미 몇 가지 성공적인 생체공학 장치가 존재한다. 잘 알려진 예로는 인공 와우가 있다. 이는 난청 환자를 위한 장치이다. 2004년까지 완전히 기능하는 인공 심장이 개발되었다. 나노기술의 출현으로 상당한 진전이 예상된다.

펜실베이니아 대학교 생체공학과에서 8년 동안 근무하면서 콰베나 보아헨은 살아있는 망막과 동일한 방식으로 이미지를 처리할 수 있는 실리콘 망막을 개발했다. 그는 자신의 실리콘 망막에서 얻은 전기 신호와 도롱뇽 눈에서 생성된 전기 신호를 비교하여 결과를 확인했다.

알바로 리오스 포베다는 감각 피드백을 갖춘 상지 및 손 보철물을 개발했다. 이 기술을 통해 절단 환자는 보다 자연스러운 방식으로 보철 손 시스템을 다룰 수 있게 되었다.

BBC의 의학 통신원 퍼거스 월시는 "맨체스터의 외과 의사들이 선진국에서 시력 상실의 가장 흔한 원인을 가진 환자에게 최초의 생체공학 눈 임플란트를 시술했다"고 보도했다. 80세의 레이 플린은 건성 연령 관련 황반 변성으로 인해 중심 시력을 완전히 상실했다. 그는 안경에 착용하는 소형 비디오 카메라에서 비디오 이미지를 변환하는 망막 임플란트를 사용하고 있다. 이 임플란트는 아거스 II로 알려졌다.

오픈 바이오닉스(Open Bionics)에서 제조한 경량 근전 보철물인 "히어로 암스"도 있다.

군 참전 용사인 대런 풀러는 공공 의료 시스템에서 생체공학 팔을 받은 최초의 사람이 되었다. 풀러는 2008년 아프가니스탄에서 박격포 탄약과 관련된 사고로 복무 중 오른팔 아래 부분을 잃었다.

니치 인 그룹은 조직 공학에 생체 모방을 적용하여 줄기 세포 및 재생 의학 분야를 연구한다.

4.3. 정치

생태 지역적 민주주의는 정치적 국경이 인간의 문화나 이전의 갈등이 아닌 자연 생태 지역을 따르는 것을 특징으로 하는 생체 모방의 정치 형태이다.

이러한 접근 방식에 대한 비판론자들은 생태 선택 자체가 가난한 모델이며, 제조의 복잡성이나 갈등을 최소화하지 못한다고 주장한다. 또한 자유 시장은 효율성뿐만 아니라 의식적인 협력, 계약, 표준에 의존하며, 찰스 다윈이 균형을 맞추려고 주장했던 자연 선택보다는 성적 선택과 더 유사하다고 주장한다.

반세계화 운동 옹호자들은 소비자에게는 매력적이지만 시스템을 비효율적으로 만드는 표준화, 금융, 마케팅의 결합과 같은 과정은 이미 폭주 진화의 예라고 주장한다. 그들은 생체 모방이 기본 효율성을 회복할 수 있는 효과적인 전략이라고 주장한다.

생체 모방은 자연 자본주의의 두 번째 원칙이다.

4.4. 비즈니스

생체 모방 비즈니스는 생체 모방 기술 적용의 최신 발전이다. 구체적으로 생물학적 시스템의 원리와 실천을 비즈니스 전략, 프로세스, 조직 설계 및 전략적 사고에 적용한다. FMCG, 방위 산업, 중앙 정부, 포장 및 비즈니스 서비스 등 다양한 산업에서 성공적으로 사용되고 있다. 배스 대학교의 필 리차드슨의 연구를 바탕으로 이 접근 방식은 2009년 5월 영국 상원에서 시작되었다.

일반적으로 생체 모방 기술은 엔지니어링 솔루션에 대한 아이디어를 얻기 위해 생물학적 프로토타입을 연구하는 창의적 기법으로 사용된다.

4.5. 기타

생체 공학이라는 용어는 유기체와 기계의 융합을 의미하기도 한다. 이 접근 방식은 생물학적 부분과 공학적 부분을 결합한 하이브리드 시스템을 만들며, 이는 사이버네틱 유기체(사이보그)라고도 한다. 케빈 워윅의 임플란트 실험에서 자신의 신경계를 통해 초음파 입력을 가져오는 방식으로 실제로 구현되었다.

일반적이지 않은 용법으로, 생체와 기계의 결합을 가리켜 생체공학(바이오닉스)이라고 부르는 경우가 있다. 이는 사이보그와 거의 동의어이다.