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큰부리새, 굴, 거미를 이용한 생체모방공학
(What Do a Toucan, an Oyster and a Spider
Have in Common? Bio-Engineers’ Drool)
CEH

   만약 우리가 더 강인하고 가벼운 경량의 소재를 만들기 원한다면, 자연에서 찾아야한다고 두 연구자는 말했다.

10년 동안 생체모방공학 분야에서 일해 온 메이어와 맥키트릭(Meyers and McKittrick)은 Science 지(2013. 2. 15)에 동물로부터 영감을 얻어 만든 새로운 인공 소재에 대한 설계 시방서를 게재하였다(PhysOrg 참조)

거미줄은 매우 강하며, 연체동물의 껍질과 뼈는 내구성이 있고, 고슴도치의 깃대와 깃털은 비틀리지 않는다. 어떻게 이러한 탁월한 속성을 지니게 되었을까? 이상에서 언급한 재료들의 구성 블럭(building blocks)은 1차적으로 주로 광물질과 생폴리머(biopolymers)을 조합시킨 것으로서, 첫 층은 장력에 약하고, 두 번째 층은 압축에 약하다. 복잡하고 독창적인 계층적 구조는 각 재료물질의 뛰어난 성능을 가져다 준다. 견고성(toughness)은 조절된 두 면의 접촉 특성(마찰, 수소결합, 사슬의 곧은 배열, 신축성)에 의해서 생겨나며, 비틀림 저항성은 가벼운 포말로 채운 가느다란 기둥에 의해서 만들어진다. 여기에서, 우리는 이러한 혹은 다른 생물 재료들에서 선발된 사례들을 제시하고 설명하고자 한다. 생체 영감된 구조물질의 설계는 생물학적 구조를 사용하여, 그것의 본질적인 특성을 유지하면서, 구조 기능을 증가시킨 합성 물질과 과정을 삽입함으로써 이루어질 수 있다. 본 리뷰에서 우리는 몇 가지 특이한 개념을 통해 이러한 아이디어를 설명하고자 한다.

메이어와 맥키트릭은 재료공학자들을 위한 다음의 도전들을 기술하였다 : 자기조립, 다기능성, 계층구조, 수화(hydration), 온화한 합성조건(즉 실온에서), 최적화, 자동복구가 되는 재료가 그것이다. 영감을 얻기 위해서, 그들은 큰부리새(toucan)의 부리, 새의 깃털, 굴의 껍질, 거미줄, 고슴도치의 가시, 뿔복(longhorn cowfish)의 두개골을 조사했다. 생물들이 가지고 있는 강하고, 가볍고, 견고한 이들 생재료들은 7가지의 모든 설계적 특성들을 마스터하고 있었다. 공학자들은 생물들이 자연에서 사용하는 방법처럼 오랫동안 단백질을 사용할 수 없다. ”대자연은 우리에게 주형(templates)을 제공해 준다”고 맥키트릭은 말했다. ”우리는 그것을 보다 잘 이해해서 새로운 재료를 부어 만드는데 도움이 되도록 노력하고 있습니다”.

메이어는 그러한 생체모방공학(biomimetics)이 긴 역사를 가지고 있음을 지적하였다. ”이카루스(Icarus)의 전설에서부터, 새들로부터 영감을 얻은 레오나르도 다빈치의 비행 기계, 그리고 벨크로(Velcro, 접착포) 같은 현대의 발명품에 이르기까지, 생체 영감된 설계는 오랫동안 과학과 공학의 한 부분이 되어 왔습니다.” PhysOrg 지에서 메이어는 말했다. 단지 지난 10년 동안에 생체모방공학 분야는 실제적인 이륙을 시작하였고, 새로운 연구소들이 생겨나며, 많은 논문들이 학술지에 게재되고, 극적인 성공들이 계속해서 이어지고 있다.

다른 생체모방공학 뉴스로서 (1)Science 지는 어떻게 미생물이 쉽게 수소 분자를 쪼개는지를 복사하려는 노력에 대하여 논의하고 있었다. 수소화효소(Hydrogenase enzymes)는 연료전지(fuel cell) 설계자들에게 선망의 대상이 되고 있지만, 분자생물학자들은 아직도 그것이 어떻게 실온에서 효과적으로 작동되는지 잘 모르고 있다. (2)PNAS 지는 리뷰에서 ”생체모방 건물”을 대서특필했는데, 그것은 일부는 공학, 일부는 예술, 일부는 작품이라는 것이다. 건축가 찰스 리(Charles Lee)의 생체 모방된 주택은 현재 ”자연의 도구상자: 생물다양성, 예술, 그리고 발명품”의 이름으로 현재 전시 여행 중에 있다. (3)마지막으로, Science Daily 지는 ”세포 회로가 그들의 역사를 기억하고 있다: 공학자들은 기억과 논리를 결합시킨 새로운 합성 생물 회로를 설계하다”라는 글을 게재하고 있었다. 박테리아의 유전자에서 논리 회로를 구축함으로써, MIT의 연구자들은 ”장기적인 환경 센서, 생물제조를 위한 효율적인 제어, 혹은 다른 세포 형태로 분화되는 줄기세포의 프로그램 개발” 등을 희망하고 있었다.

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과학의 미래는 진화론이 아닌 생체모방공학에 있다. 고풍스러운 빅토리아 시대의 신화인 진화론은 확대 발전하고 있는 이 분야에서 더 이상 설 자리가 없다. 찰스 1세의 숭배자들이여, 생체모방공학에서 밝혀지고 있는 고도로 정교한 구조들과 프로그램들을 생각해보라. 이러한 것들이 모두 목적도 없고, 방향도 없고, 계획도 없는 무작위적인 돌연변이들에 의해서 우연히 생겨날 수 있었는가? 이것들은 모두 초월적 지성에 의한 설계를 가리키고 있는 것이다!

 

출처 : CEH. 2013. 2. 17.
URL : http://crev.info/2013/02/what-do-a-toucan-an-oyster-and-a-spider-have-in-common-bio-engineers-drool/
번역자 : 문흥규

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2. 생체모방공학 소식으로 시작되는 한 해 (Happy New Biomimetics Year)
3. 개, 올빼미, 딱정벌레를 모방하라 : 생체모방공학은 우리의 삶을 증진시킬 것이다. (Make Like a Dog, Owl, or Beetle : How Biomimetics Will Improve Our Lives)
4. 자연이 38억 년 동안 연구개발을 했는가? : 생체모방공학의 계속되는 성공 - 해바라기, 규조류, 식물 의약품... (Nature : 3.8 Billion Years of R&D)
5. 식충식물이 R&D 수상을 이끌다 : 생체모방공학의 새로운 기술들 (Pitcher Plant Inspires R&D Award)
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