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생체모방공학 분야는 지속적으로 확장되고 있다
: 뼈, 힘줄, 곰팡이, 법랑질, 효모, 곤충, 홍합, 말벌, 파리매...
(Weekend Biomimetics Showcase)
CEH

    오늘날 생물학은 설계(design)에 초점이 맞추어져 있다. 생체모방공학(biomimetics, 생체모방기술) 분야는 지속적으로 확장되고 있다. 최근에 과학자들이 모방하고 싶어하는 생물 속에 들어있는 설계들이 여기에 있다.

뼈와 힘줄(bones and tendons)은 ”놀랄만한 강도”를 가지고 있어서, 여러 연구팀들이 그러한 작용을 나타내는 ”그들의 미세구조와 미세역학”을 이해하기 위해 노력하고 있다고, Phys.org(2017. 2. 28) 지는 말한다. 인식은 이해로 이어지고, 이해는 발명에 이르게 한다.

”이러한 결과는 처음으로 뼈와 힘줄(건) 사이의 접촉 부위에서의 생화학적 과정을 이해하게 해주었으며, 이것은 신체의 운동 시스템에 극도의 강도를 부여한다”라고 바우슈(Bausch)는 말했다.

이것은 재료공학이나 의약 분야에서 응용할 수 있다. 공학자들은 경질재료와 연질재료를 혁신적으로 연결할 수 있다. 그리고 정형외과 의사들은 수술 시에 임플란트에 힘줄을 부착시키는 데에 그 결과를 사용할 수 있을 것이다.

New Scientist(2017. 3. 9) 지는 이것에 대해 다음과 같이 썼다. ”뼈에서 영감을 얻은 특수강은 균열에 더 강하다.” 큐슈 대학과 다른 곳에서도 이러한 영감을 얻고 있었지만, 구현 문제는 그들이 이해한 것을 확장시키는 것이었다. ”균열에 저항하는 재료를 만드는 생물들의 전략에 대한 통찰력은 철강을 포함한 첨단 소재의 설계에 영감을 주는 탁월한 원천이다.”라고 매사추세츠 공과대학의 아드미르 매직(Admir Masic)은 말했다.

나무와 뼈(wood and bones)는 또한 수많은 응용 분야에서 다양한 3차원 나노 구조들을 만들어내고 있다. Phys.org(2017. 3. 3) 지는 워싱톤 주에서 나노미터 규모의 3차원적 격자(lattices)와 트러스(trusses)에 대해서 이야기하고 있었다. 그것은 ”목재와 뼈와 같은 천연 재료의 복잡한 건축술을 모방한 것”이라는 것이다. 기사에는 사진들이 포함되어 있다.

곤충(insects)들은 계속해서 로봇 기술자들에게 영감을 불어 넣고 있었다. Science Daily(2017. 2. 17) 지에 따르면 초파리(fruit flies)에 대한 상세한 연구 후에, EPFL과 UNIL의 공학자들은 파리가 하는 것처럼 곤충의 걸음걸이인 '삼각보행(tripod gait, 세 다리 걸음)'이 접착성 패드(adhesive pads)가 있는 여섯 다리 로봇(six-legged robots)에서 가장 잘 작동된다는 것을 발견했다고 보고했다. 공학자들은 패드가 없다면, 다른 보행(두 다리 걸음)을 채택하여 로봇의 걸음걸이를 향상시켰을 것이다. 그러나 그러한 로봇은 곤충이 하는 것처럼, 벽을 기어오르지 못한다. 그리고 곤충들은 특정 조건 하에서는 두 다리 걸음(bipod gait)을 채택한다.

”로봇 공학과 생물학 사이에는 자연스러운 대화가 진행되고 있다. 많은 로봇 설계자들은 자연에서 영감을 받고 있으며, 생물학자들은 로봇을 사용하여 동물 종의 행동을 더 잘 이해하고 있다. 우리는 우리의 연구가 동물과 로봇의 움직임에 중요한 공헌을 하고 있다고 믿고 있다.”

갈색부후균(brown rot fungi)은 공학자들에게 생물연료(biofuels)를 생산하는 효율적인 방법을 가르쳐주고 있다고, Phys.org(2017. 2. 28) 지는 보고했다. 두 단계 과정을 거치는 이들 곰팡이는, 주변의 리그닌(lignin)을 피하면서, 나무의 셀룰로오스 부분을 공격할 수 있는 독특한 능력을 가지고 있다. 한편 샌디아 국립연구소(Sandia National Labs)의 연구자들은 생물연료를 생산하기 위해 조류(algae)를 연구하고 있다고, Science Daily(2017. 3. 10) 지는 말한다.

치아 법랑질(tooth enamel)은 강인한 복합 재료를 만드는 방법을 보여준다는 것이다. Nature(2017. 3. 1) 지는 법랑질의 내구성에 대해 말하고 있었다. 법랑질은 강하면서, 균열에 저항력이 있다. ”치아 법랑질에서 영감을 얻은 한 재료물질은 전례 없는 단단함, 진동의 감쇠, 저밀도” 등을 가진 새로운 물질이라는 것이다. 그러나 슬프게도 그 논문의 저자는 마치 자연선택의 압력이 설계자인 것처럼, 천연 재료는 ”환경적 압력에 따라 진화됐던 것”이라고 주장하고 있었다. 전체 논문은 Nature 지에서 볼 수 있다.

효모 공장(yeast factories)은 제트 연료(jet fuel)를 생산하도록 프로그램 되어있었다. Science Daily(2017. 3. 9) 지의 보도에 의하면, 차머스(Chalmers) 공과대학의 연구자들은 일반적으로 긴사슬지방산(long-chain fatty acids)을 생성하는 지방산 합성효소(fatty-acid synthase enzyme)를, 중간사슬지방산(medium-chain fatty acids)과 메틸 케톤(methyl ketones)을 생산하는 효소로 개조했다는 것이다. 이러한 화학물질들은 현재 운송연료로 사용되고 있는 것들이다. 이제 이러한 ”효모 세포 공장”을 사용하여, 그러한 화학물질들을 대량 생산할 수 있게 되었다. 그들은 처음부터 시작하는 것보다, 기존 기계를 개조하는 것이 더 쉽다는 것을 발견하고 있었다.

딱정벌레(beetle)의 몸체는 김서림방지(anti-fogging, 방담) 물질 개발에 영감을 불어넣고 있었다. 브룩헤이븐 국립연구소(Brookhaven National Lab)의 과학자들은 딱정벌레 외골격에 있는 작은 털들을 모방하여, 효과적으로 물을 물리칠 수 있는 방법을 설명하고 있었다. ”몇몇 곤충 몸체는 물과 기름을 밀어내고, 다른 표면에는 부착되고, 빛의 반사를 제거하는 능력을 진화시켜왔다”라고 Science Daily(2017. 3. 2) 지는 말한다. ”과학자들은 자연에서 발견되는 놀라운 특성들을 일상생활에서 사용하기 위해서, 그것들의 기초가 되고 있는 물리적 메커니즘들을 연구하고, 재료들에 들어있는 디자인을 모방하고 있다.” 개발된 소재들은 ”발전 및 운송 분야를 포함하여, 습한 환경에서 표면의 안개 응축을 방지할 수 있다.”

홍합 접착제(mussel glue)는 습한 작업환경이나 의료 수술 시에 필요한 접착제의 개발에 영감을 불어넣고 있었다. Nature Communications(2017. 3. 6) 지는 홍합의 접착패드는 어떻게 구성되어 있는지를 설명하고 있었다. 젖은 곳에서의 탁월한 접착력, 내마모성, 단단함, 자가치유력 등을 보여주고 있는 홍합의 접착패드는 10가지 이상의 단백질들 전구체의 액체 분비로 수분 내에 복잡한 계층적 조직을 형성하면서 생겨난다. 과학자들은 홍합의 ”물질 합성의 설계 원리”를 모방하기를 원하고 있었다. 또한 Phys.org(2017. 3. 10) 지에 게재된, 조개(shellfish)에서 영감을 받아 개발된 수중접착제(underwater glues)에 관한 퍼듀 대학(Purdue University) 연구자들의 보고를 읽어보라.

암 치료를 위해 진화를 모방하라? 이 수수께끼는 Medical Xpress(2017. 3. 3) 지가 제공하고 있었다. 그들이 의미하는 '진화'라는 것은 실제로는 인공선택(artificial selection)이고, 이것은 일종의 지적설계(intelligent design)이다. 그들은 이미 존재하는 복잡한 한 효소로 시작하여, 무작위적 돌연변이를 도입하고, 종양세포에 대해서 선택적 활성을 보이는 것들을 선택하고 있었다.

말벌(wasp)의 비행 원리는 충돌-회피 드론(crash-resistant drones)을 만드는데 사용되고 있었다. 인기있는 쿼드콥터 드론(quadcopter drones)들은 단단하기 때문에 충돌 시에 파괴되는 경향이 있다. 이것과 대조적으로 말벌(wasp)의 날개는 유연한 관절로 멋지게 접혀진다. Nature(2017. 3. 8) 지는 취리히 연방 공과대학(Swiss Federal Institute of Technology)의 시험용 드론에 대해서 기술하고 있었다. ”50g의 시험용 드론은 50회 이상의 충돌 동안에 단지 두 차례의 손상만 입었을 뿐이다.”

세포 신호전달(cell signaling)은 세포가 하고 있는 것처럼, 서로 화학적으로 대화할 수 있도록 하는, '합성수용체(synthetic receptors)'에 대한 연구를 촉진시키고 있다는 것이다. 브리스톨 대학(University of Bristol)의 연구자들은 ”세계 최초로” 이에 대한 진보를 이루었다고 Science Daily(2017. 3. 6) 지는 보도하고 있었다.

셀룰로오스 포장(cellulose packaging)은 생분해성이어서, 플라스틱 폐기물을 줄이는 동시에, 식품을 신선하게 유지시킬 수 있다는 것이다. 리투아니아 인조차도 이 생체모방공학에 뛰어 들고 있다고 Science Daily(2017. 3. 10) 지는 보도하고 있었다.

효모의 염색체(yeast chromosomes)는 복잡한 유전정보를 고도로 압축된 방식으로 갖고 있다는 것이다. Science(2017. 3. 10) 지는 특별 이슈로서 합성염색체(synthetic chromosomes)에 관한 한 소개 글에서, ”합성 효모 염색체 프로젝트(Synthetic Yeast Genome Project)”는 ”자연의 디자인을 기초하여 만들어지고 있다”고 말했다.

박테리아의 편모(bacterial flagella)는 수년 동안 일본 과학자들의 집중적인 연구 대상이었다. Phys.org(2017. 3. 9) 지의 보도에 의하면, 오사카 대학의 과학자들이 ”회전 모터의 개발을 위한 모델링에 자연에 있는 나노기계를 사용하고 있다”는 것이다. 박테리아에 들어있는 초고도 성능의 나노 분자기계는 마이클 베히(Michael Behe)의 저서 '다윈의 블랙박스'(Darwin's Black Box, 1996)에 기술되어 있는데, 이것은 그의 지적설계 운동에 영감을 불어넣었다.

파리매(robber flies)는 공중전에 능숙한 대가이다. Current Biology(2017. 3. 9) 지에 게재된 한 논문은 ”극도의 시력”를 사용하여, 표적에 시선을 고정시키고, 안정적으로 포획하는, 파리매의 ”새로운 요격 전략”을 기술하고 있었다. 공학자들은 소형항공기 및 무인자동차의 ”안내 시스템”을 개발하기 위한 ”지속적 방위각 전략(constant bearing angle strategy)”을, 최소 크기에서 최대 성능을 발휘하고 있는 생물에서 모방하기를 원하고 있었다. Live Science(2017. 3. 9) 지에 보도된 ”일 초 내에 먹이를 포획하는, 작은 파리의 경이로운 시각”을 보라.

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당신은 아직 영감을 얻지 못하고 있는가? 이러한 다양한 사례들을 생각해 보라. 미생물에서부터 코끼리에 이르기까지, 거의 모든 종류의 생물들은 과학자들이 배우고 모방하고 싶어 하는 놀라운 특성들을 가지고 있다. 이러한 경이로운 특성들이 무작위적인 자연적 과정으로 우연히 생겨날 수 있었는가? 생체모방공학은 수십 년 동안 생물학에서 일어났던 사건들 중에서 최고의 사건 중 하나이다. 진화론으로 인해, 사람들은 너무도 오랫동안 이것을 깨닫지 못했었다. 이제 과학자들은 생물들에 들어있는 지적설계를 모방하는 데에 초점을 맞추고 있는 것이다!

 

출처 : CEH, 2017. 3. 11.
URL : http://crev.info/2017/03/weekend-biomimetics-showcase/
번역자 : 미디어위원회

관련 자료 링크:

1. 생물들의 놀라운 기술과 생체모방공학 : 이러한 기술들이 모두 우연히 생겨났을까? (Inspiring Life Tricks)
2. 생체모방공학의 새로운 뉴스들. (What’s New in Biomimetics?)
3. 위장의 천재 문어는 피부로 빛을 감지하고 있었다! : 로봇 공학자들은 문어의 팔은 모방하고 있다. (The Octopus: Invertebrate Designs)
4. 문어의 피부를 모방한 최첨단 위장용 소재의 개발. (Octopus Skin Inspires High-Tech Camouflage Fabric)
5. 생물들의 정교한 공학기술과 최적화. : 박쥐, 말벌, 물고기, 꿀벌, 개미, 얼룩말과 생체모방공학 (Life Shows Exquisite Engineering and Optimization)
6. 동물들의 새로 발견된 놀라운 특성들. : 개구리, 거미, 가마우지, 게, 호랑나비, 박쥐의 경이로움 (New Amazing Animal Discoveries)
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