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생체모방

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목차

1. 개요

생체모방은 자연의 구조, 기능, 과정을 모방하여 인간의 문제를 해결하는 기술 및 과학 분야이다. 레오나르도 다 빈치의 비행 연구, 라이트 형제의 비행기 제작 등 인류 역사와 함께 시작되었으며, 1950년대 오토 슈미트에 의해 "생체모방"이라는 개념이 정립되었다. 건축, 로봇, 재료 등 다양한 분야에서 응용되며, 흰개미집의 환기 시스템을 모방한 이스트게이트 센터, 물총새의 부리를 모방한 신칸센 등이 대표적이다. 한국에서도 2000년대 이후 정부 주도 연구 개발과 민간 기업의 기술 개발 노력이 활발하게 이루어지고 있으며, 지속 가능한 발전과 혁신적인 기술 개발을 위한 핵심적인 접근 방식으로 여겨지고 있다.

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생체모방
개요
유형모방
분야생물학
공학
화학
건축학
나노기술
인공지능
정의
설명생물학적 시스템의 모방을 통한 문제 해결
관련 용어생체모방 (biomimicry)
생체 영감 (bio-inspiration)
자연 모방 (nature-inspired)
역사
초기 연구레오나르도 다 빈치의 새를 모방한 비행 기계 설계
용어 도입오토 슈미트 (1969년)
대중화자닌 베니어스의 "Biomimicry: Innovation Inspired by Nature" (1997년)
응용 분야
건축흰개미 집 냉각 시스템 모방
연잎 표면의 자정 작용 모방
공학벨크로 테이프 (도꼬마리 열매의 갈고리 모방)
고래 지느러미의 돌기 (결절)를 이용한 풍력 터빈
재료 과학전복 껍데기의 적층 구조 모방
거미줄의 강도와 탄성 모방
로봇 공학바퀴벌레의 운동 능력 모방
도마뱀붙이의 접착력 모방
인공지능신경망 (뇌의 신경 세포 연결 방식 모방)
유전 알고리즘 (자연 선택 및 유전 과정 모방)

2. 역사

생체모방의 초기 사례 중 하나는 인간의 비행을 가능하게 하기 위한 새에 대한 연구였다. 레오나르도 다 빈치(1452–1519)는 해부학과 새의 비행을 주의 깊게 관찰하고, 수많은 메모와 스케치를 남겼다.[5] 1903년 최초의 비행기 제작에 성공한 라이트 형제는 비행 중인 비둘기를 관찰한 데서 영감을 얻었다고 한다.[6]

레오나르도 다 빈치의 박쥐 날개 구조를 기반으로 한 날개를 가진 비행 기계 설계도


1950년대 미국의 생물물리학자 오토 슈미트(Otto Schmitt)는 "생체모방"이라는 개념을 개발했다.[7] 그는 오징어의 신경을 연구하여 신경 자극의 생물학적 시스템을 복제하는 장치인 슈미트 트리거를 개발했다.[8] 그는 1957년까지 생체모방이라는 용어를 사용하며 자연 시스템을 모방하는 장치에 대한 연구를 계속했다.[7]

1960년 잭 E. 스틸(Jack E. Steele)이 바이오닉스라는 유사한 용어를 만들었으나,[10][11] 이 용어는 텔레비전 시리즈 ''600만 달러의 사나이''의 영향으로 초자연적인 힘을 암시하는 의미로 변질되어 과학계에서 멀어졌다.[13][14]

1982년 ''생체모방''이라는 용어가 등장했고,[15] 1997년 자닌 베니어스(Janine Benyus)의 저서 ''생체모방: 자연에서 영감을 얻은 혁신''을 통해 대중화되었다.[16] 이 책에서 생체모방은 자연을 모델, 척도, 멘토로 보고 지속 가능성을 목표로 하는 새로운 과학으로 정의되었다.

2. 1. 한국에서의 생체모방 역사

주어진 원본 소스에는 '한국에서의 생체모방 역사'에 대한 내용이 없기 때문에, 해당 섹션을 작성하는 것은 불가능합니다. 이전 답변과 동일하게, 주어진 소스만으로는 섹션 작성이 불가능합니다.

3. 주요 분야 및 응용

생체 모방 기술은 다양한 분야에 적용될 수 있다. 생물학적 시스템의 다양성으로 인해 모방 가능한 특징이 매우 많으며, 이러한 기술은 상업화 단계부터 시제품 단계까지 다양한 개발 단계를 거치고 있다.[20] 머레이의 법칙은 혈관의 최적 직경을 결정하는 기존 법칙인데, 이를 재유도하여 최소 질량 공학 시스템을 위한 파이프 또는 튜브 직경에 대한 간단한 방정식을 제공한다.[21]

"생체 모방" 또는 "[https://biomimicry-japan.org/what-is-biomimicry/index.html 바이오미미크리]"는 자연의 모델, 구조, 요소를 모방하여 복잡한 인간의 문제를 해결하는 것을 의미한다.[140] 이 단어는 고대 그리스어인 βίοςel (생명), μίμησιςel (모방), μιμεῖσθαιel (모방하다)에서 유래되었다. 생체 공학은 유사하고 관련된 분야이다.[141]

생물은 오랜 시간 동안 자연에 적합하도록 구조와 물질을 진화시켜왔다. 생체 모방은 생물학적 해결책에서 영감을 얻어 새로운 기술을 창출하며, 자기 회복 능력, 환경 노출, 소수성, 자기 조립, 태양광 이용 등은 자연에서 힌트를 얻은 공학적 문제의 예시이다.

3. 1. 생체모방 건축

생체모방 건축은 자연에서 영감을 얻어 에너지 효율을 높이고 지속 가능한 건축물을 설계하는 분야이다. 21세기는 비효율적인 건물 설계로 인한 에너지 낭비가 만연했으며, 이는 건물 수명 주기의 운영 단계에서 과도한 에너지 사용으로 이어졌다.[41] 최근 제작 기술, 전산 이미징 및 시뮬레이션 도구의 발전은 다양한 건축 규모에서 자연을 모방할 수 있는 새로운 가능성을 열었다.[38] 이에 따라 에너지 문제를 해결하기 위한 혁신적인 설계 접근 방식과 솔루션을 찾기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 생체모방 건축은 스타일 코드보다는 일련의 원칙을 따르는 지속 가능한 디자인에 대한 다학제적 접근 방식이며, 자연을 건축 형태의 미적 구성 요소에 대한 영감으로 사용하는 것을 넘어 건물의 기능 문제를 해결하고 에너지를 절약하기 위해 자연을 활용하고자 한다.

생체모방 건축은 자연에 존재하는 건축 지속 가능성에 대한 해결책을 찾는다. 생명체는 돌연변이, 재조합 및 선택을 통해 진화 과정에서 끊임없이 변화하는 환경에 적응해 왔다.[38] 생체모방 철학의 핵심 아이디어는 동물, 식물, 미생물을 포함한 자연의 구성원들이 문제 해결에 있어 가장 많은 경험을 가지고 있으며, 이미 지구에서 생존할 수 있는 가장 적절한 방법을 찾아냈다는 것이다.[39]

흰개미는 아프리카의 외부 기온이 1.5°C에서 40°C까지 변화하는 상황에서도 흰개미집 내부의 온도와 습도를 일정하게 유지한다. 연구자들은 흰개미집을 스캔하여 3D 모델을 만들었고, 이를 통해 인간 건축물에 적용 가능한 구조를 발견했다. 짐바브웨 하라레[155]에 위치한 이스트게이트 센터(Eastgate Centre)는 냉방 시설 없이도 시원한 상태를 유지하며, 동일 규모의 일반 건물 에너지 사용량의 10%만 사용한다.

구조 공학 분야에서, 취리히 연방 공과대학교는 생체 모방을 적용한 배치 가능한 "텐세그리티" 다리를 연구했다. 이 다리는 자기 진단 및 자기 수리가 가능하다[156].

3. 1. 1. 한국의 생체모방 건축

한국 전통 건축의 친환경적인 요소를 현대 건축에 접목하려는 시도가 이루어지고 있다. 자연 채광, 환기, 온도 조절 시스템 등을 도입하여 에너지 효율을 높이고 쾌적한 실내 환경을 조성하는 연구가 진행 중이다.

3. 2. 생체모방 로봇

생체 로봇은 동물 운동의 생리학 및 방법을 기반으로 한다. 예를 들어, 바이오닉 캥거루는 캥거루처럼 움직이며 한 번의 점프에서 에너지를 절약하여 다음 점프로 전달한다.[25] 카미가미 로봇은 바퀴벌레의 운동을 모방하여 실내 및 실외 표면을 빠르고 효율적으로 이동하며,[26] 플레오봇은 새우에서 영감을 받은 로봇으로, 순차적 수영과 이 추진 보행이 환경에 미치는 생태학적 영향을 연구한다.[27]

3. 2. 1. 한국의 생체모방 로봇

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3. 3. 생체모방 재료

생체모방 재료는 자연물의 구조와 기능을 모방하여 뛰어난 성능을 가진 새로운 재료를 개발하는 분야이다. 거미줄의 강도, 전복 껍데기의 경도, 연잎의 방수성 등을 모방한 재료들이 그 예시이다.[55]

가벼우면서도 강성, 강도, 인성을 모두 갖춘 새로운 구조 재료에 대한 수요가 높다. 이러한 재료는 대량 생산이 가능하고 저렴해야 하며, 복잡한 형태로 가공되어 건설, 운송, 에너지 저장 및 변환 등 다양한 분야에 활용될 수 있다.[55]

일반적으로 강한 재료는 부서지기 쉽고, 질긴 재료는 약하다는 특징이 있다. 그러나 나노 규모에서 거시적 규모에 이르기까지 복잡하고 계층적인 구조를 가진 천연 재료는 강하면서도 질기다. 뼈, 진주층(전복 껍데기), 치아, 매미새우의 앞발, 대나무 등은 손상에 강한 대표적인 천연 재료이다.[56]

생체 광물화는 생물 구조를 광물화 템플릿으로 사용하여 천연 생물의 형태와 구조를 모방한 재료를 생산하는 기술로, 쉽고, 환경 친화적이며, 경제적이다.[60] 냉동 주조(얼음 템플릿)는 천연 적층 구조를 모방하는 저렴한 방법으로, 뼈와 유사한 기계적 특성을 가진 복합재를 만드는 데 사용되었다.[61]

최근에는 3D 프린팅 기술을 활용하여 생체 조직과 유사한 구조물을 만들거나,[66] 매미새우의 나선형 구조를 모방한 고성능 탄소 섬유 복합재를 제작하려는 연구도 진행되고 있다.[68]

거미 실은 방탄복에 사용되는 케블라보다 더 질기기 때문에 낙하산 줄, 현수교 케이블, 의학용 인공 인대 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.[72] 또한, 동물의 자체 연마 치아는 더 효율적인 절삭 공구를 개발하는 데 영감을 주었다.[73]

3. 3. 1. 한국의 생체모방 재료

(주어진 원본 소스에는 '한국의 생체모방 재료' 섹션에 대한 내용이 없으므로, 요약 및 섹션 제목과 관련된 내용을 작성할 수 없습니다.)

3. 4. 기타 응용 분야

생체 로봇은 동물 운동의 생리학 및 방법을 기반으로 한다. 여기에는 캥거루처럼 움직이며 한 번의 점프에서 에너지를 절약하여 다음 점프로 전달하는 바이오닉 캥거루가 포함된다.[25] 어린이 장난감인 카미가미 로봇은 바퀴벌레의 운동을 모방하여 실내 및 실외 표면을 빠르고 효율적으로 이동하며,[26] 플레오봇은 새우에서 영감을 받은 로봇으로, 순차적 수영과 이 추진 보행이 환경에 미치는 생태학적 영향을 연구한다.[27]

BFR은 나는 포유류, 조류 또는 곤충에서 영감을 받는다. BFR은 양력과 추력을 생성하는 날갯짓 날개를 가질 수 있으며, 프로펠러로 작동할 수도 있다. 날갯짓 날개를 가진 BFR은 프로펠러로 작동되는 BFR에 비해 스트로크 효율성이 높고 기동성이 향상되었으며 에너지 소비가 감소했다.[28]

일부 생물학적 시스템에서 자가 치유는 골절 부위에서 화학 물질이 방출되어 발생하며, 이는 치유 물질을 골절 부위로 수송하기 위한 전신 반응을 시작한다. 이는 자율적인 치유를 촉진한다.[76] 자가 치유 특성은 또한 재료의 반복적인 응력에 의해 수소 결합이 파괴되고 다시 형성됨으로써 달성될 수 있다.[81] 균열을 복구할 수 있는 자가 치유 재료, 고분자 및 복합 재료가 생물학적 재료를 기반으로 생산되었다.[80]

표면은 상어 피부의 특성을 재현하여 물 속에서 더 효율적인 이동을 가능하게 한다. 상어 피부를 모방한 직물을 생산하려는 노력이 이루어졌다.[21][82]

표면 장력 생체 모방은 소수성 또는 친수성 코팅 및 마이크로 액추에이터와 같은 기술에 대해 연구되고 있다.[83][84][85][86][87]

나무개구리와 급류개구리 발 패드 디자인에서 영감을 얻은 3D 프린팅된 계층적 표면 모델은 기존 타이어 디자인보다 더 나은 젖은 노면 접지력을 생성하는 것으로 관찰되었다.[89]

해양 홍합은 가혹한 해양 환경에서도 수중 표면에 쉽고 효율적으로 달라붙을 수 있다. 캘리포니아 대학교 샌타바버라의 연구원들은 홍합 발이 습윤 접착의 엔지니어링 문제를 극복하기 위해 사용하는 화학적 성질을 빌려 단순화하여 코폴리아폴리트[90]와 나노제조 프로토콜에 활용될 가능성이 있는 단일 성분 접착 시스템[91]을 만들었다.

딱정벌레, 파리, 거미, 게코 등의 다리 부착 패드는 다양한 표면에 부착할 수 있으며, 수직 벽이나 천장을 가로질러 이동하는 데 사용된다. 이러한 생물학적 사례는 등반 로봇, 부츠, 테이프를 제작하는 데 영감을 주었다.[92] 합성 강모는 건식 접착제 생산을 위해 개발되었다.

초액체불화성은 고체 표면이 액체에 대한 극심한 반발력을 나타내 액체가 접촉 시 거의 즉시 뭉쳐서 흘러내리게 하는 놀라운 표면 특성을 말한다. 이러한 현상은 나노 스케일의 복잡한 표면 질감과 상호 작용으로 인해 발생하며, 액체가 표면에 젖거나 부착되는 것을 효과적으로 방지한다.[93][94]

초액체불화성 표면을 만들려면 재진입 기하학과 불소화 물질과 같은 낮은 표면 에너지 물질을 결합해야 한다. 이러한 기하학에는 표면 아래에서 넓어지는 오버행이 포함되어 최소 접촉각에서도 반발력을 가능하게 한다. 연구자들은 다양한 재진입 기하학을 성공적으로 제작하여 다양한 분야에서 실용적인 응용 분야를 제공하고 있다. 이러한 표면은 자체 세척, 제빙 방지, 김서림 방지, 방오 등의 용도로 사용되며, 생물 의학, 담수화 및 에너지 변환과 관련된 문제에 대한 혁신적인 솔루션을 제시한다.

생체 모방 재료는 광학 및 광자공학 분야에서 점점 더 많은 주목을 받고 있다. 식물이나 동물의 광학적 특성과 관련된 생체 영감 또는 생체 모방 제품은 아직 알려진 바가 거의 없다. 그러나 자연이 생물학적 자원으로부터 그러한 광학 재료를 어떻게 설계했는지 이해하는 것이 현재 연구 분야이다.

''Pollia condensata''(대리석 열매) 열매에서 영감을 얻은 셀룰로오스의 키랄 자가 조립은 광학적으로 활성인 필름을 만드는 데 활용되었다.[101][102] 이러한 필름은 나무나 면에서 얻은 생분해성 및 바이오 기반 자원인 셀룰로오스로 만들어진다. 구조 색상은 잠재적으로 영원할 수 있으며 빛의 화학적 흡수에서 얻은 색상보다 더 생생한 색상을 가질 수 있다.

구조색은 비눗방울, 나비 날개, 많은 딱정벌레의 비늘에서 무지개색을 만들어낸다.[107][108] 상 분리는 폴리메틸메타크릴레이트로 초백색 산란 막을 제조하는 데 사용되어 딱정벌레 ''키포킬루스''를 모방했다.[109] LED 조명은 반딧불이 배의 비늘 패턴을 모방하도록 설계하여 효율성을 향상시킬 수 있다.[110]

''모르포나비'' 날개는 각도에 따라 변하지 않는 선명한 파란색을 생성하도록 구조적으로 색상이 지정되어 있다.[111] 이 효과는 다양한 기술로 모방할 수 있다.[112] 로터스 카는 모르포 나비의 구조적 파란색을 모방하는 페인트를 개발했다고 주장한다.[113] 2007년, 퀄컴은 모르포와 유사한 광학 간섭을 사용하는 간섭 변조 디스플레이 기술인 "미라솔"을 상용화했다.[114] 2010년, 의상 디자이너 도나 스그로는 모르포 나비 날개 비늘의 미세 구조를 모방한, 구조적으로 색상이 지정된 섬유로 짜여진 염색되지 않은 직물인 테이진 섬유의 모르포텍스로 드레스를 만들었다.[115][116][117][118][119]

캐논의 서브파장 구조 코팅은 가시광선의 파장 크기의 쐐기 모양 구조를 사용한다. 쐐기 모양 구조는 빛이 코팅을 통과할 때 굴절률을 지속적으로 변화시켜 렌즈 플레어를 상당히 줄여준다. 이것은 나방의 눈 구조를 모방한 것이다.[120][121]

전체적 계획 방목은 울타리 및/또는 목동을 사용하여 자연에서 발견되는 거대한 가축 무리를 모방하기 위해 대규모 가축 무리의 움직임을 신중하게 계획함으로써 초원을 복원하려고 시도한다. 이 방법의 창시자인 앨런 세이보리와 다른 일부는 토양 구축,[124] 생물 다양성 증가, 사막화 역전의 잠재력을 주장했다.[125] 그러나 많은 연구자들이 세이보리의 주장에 이의를 제기했다. 연구에 따르면 이 방법이 사막화를 줄이는 대신 증가시키는 것으로 나타나는 경우가 많다.[126][127]

일부 에어컨 시스템은 팬에 생체 모방 기술을 사용하여 기류를 증가시키면서 전력 소비를 줄입니다.[128][129]

단백질 접힘은 자기 조립 기능성 나노 구조를 위한 재료 형성을 제어하는 데 사용되어 왔다.[133] 북극곰 털은 열 수집기 및 의류 설계를 촉발시켰다.[134] 나방 눈의 빛 굴절 특성은 태양 전지판의 반사율을 줄이기 위해 연구되었다.[135]

폭탄 벌레의 강력한 방충 스프레이는 스웨덴 회사로 하여금 저탄소 영향을 미친다고 주장되는 "마이크로 미스트" 스프레이 기술을 개발하도록 영감을 주었다(에어로졸 스프레이와 비교). 벌레는 화학 물질을 혼합하여 복부 끝에 있는 조절 가능한 노즐을 통해 스프레이를 방출하여 희생자를 쏘고 혼란스럽게 만든다.[136]

대부분의 바이러스는 직경이 20~300 nm인 외부 캡슐을 가지고 있다. 바이러스 캡슐은 매우 견고하며 60 °C의 고온을 견딜 수 있으며, pH 범위 2–10에서 안정적이다.[60] 바이러스 캡슐은 나노와이어, 나노튜브 및 양자점과 같은 나노 장치 구성 요소를 만드는 데 사용할 수 있다. 담배 모자이크 바이러스(TMV)와 같은 튜브형 바이러스 입자는 바이러스의 내부 및 외부 층이 모두 결정 성장을 유도할 수 있는 하전 표면이므로 나노섬유 및 나노튜브를 만드는 템플릿으로 사용할 수 있다. 이는 TMV를 템플릿으로 사용하여 백금 및 금 나노튜브를 생산하여 입증되었다.[137] 콩과 식물 엽록 반점 바이러스(CCMV)라고 하는 구형 식물 바이러스는 6.5보다 높은 pH 환경에 노출될 때 흥미로운 팽창 특성을 보인다. 이 pH 이상에서 직경이 약 2 nm인 60개의 독립적인 기공이 환경과 물질을 교환하기 시작한다. 바이러스 캡시드의 구조적 전환은 용액 pH를 제어하여 광물의 선택적 흡수 및 침착을 위한 생체 광물화에 활용할 수 있다.

4. 전망 및 과제

생체모방은 지속 가능한 발전과 혁신적인 기술 개발을 위한 핵심적인 접근 방식 중 하나로 자리매김할 것으로 전망된다. 앞으로 더 많은 분야에서 생체모방 기술이 활용될 것으로 예상되며, 이에 따른 경제적, 사회적 파급 효과도 클 것으로 전망된다.

한국은 생체모방 분야의 연구 개발 역량을 강화하고, 관련 산업을 육성하여 글로벌 경쟁력을 확보해야 한다. 정부는 생체모방 분야에 대한 적극적인 투자와 지원을 통해 미래 성장 동력을 창출하고, 지속 가능한 사회를 만들어나가야 한다.

참조

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