[논문]생물학과 기계공학의 만남

이상임; 최해천

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자연으로부터 아이디어를 얻어 기계의 성능을 향상시키고자 하는 생체모방 연구가 기계공학 분야에서 활발하게 진행되고 있다. 보다 효율적으로 성공적인 생체모방 연구를 하려면 어떻게 해야 하는가? 여기에서는 효율적인 생체모방적 노력을 위한 가이드라인으로서 생물학과 기계공학의 만남을 제안하고자 한다.

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문제 정의

또, 생물체들이 모두 기계설계에 성공적으로 응용될 수 있는 형태나 기작을 갖고 있는 것도 아니다. 그렇다면 성공적으로 생체모방을 하려면 어떻게 해야 하는가? 여기에서는 항력감소 분야에서 현재까지 보고된 생체모방의 성공사례와 실패사례를 살펴보고, 효율적인 생체모방적 노력을 위한 가이드라인으로서 생물학과 기계공학의 만남을 제안하고자 한다. 특히 생물학이 생체모방 연구에 어떻게 기여할 수 있는지 제시하고자 한다.
그렇다면 성공적으로 생체모방을 하려면 어떻게 해야 하는가? 여기에서는 항력감소 분야에서 현재까지 보고된 생체모방의 성공사례와 실패사례를 살펴보고, 효율적인 생체모방적 노력을 위한 가이드라인으로서 생물학과 기계공학의 만남을 제안하고자 한다. 특히 생물학이 생체모방 연구에 어떻게 기여할 수 있는지 제시하고자 한다.

성능/효과

상어의 피부에는 리블렛(riblets)이라는 구조가 있는데, 이 구조로 인해 머리에서 꼬리 방향으로 작은 골짜기들이 형성되어 있다. 리블렛 구조를 2차원으로 모델링하여 실험과 수치해석을 실시한 결과, 최대 8%까지 표면 마찰저항을 줄일 수 있는 것으로 나타났는데, 골짜기 사이의 거리가 유선방향 와류의 직경보다 작으면 이 와류가 골짜기 안으로 들어가지 못하고 골짜기 위에 머물러 있게 되어 표면 마찰저항이 줄어들게 된다는 것이다. 이러한 리블렛 구조를 응용한 수영복이 2000년 시드니 올림픽에서 선보이기도 했다.
다른 새들과는 달리 올빼미들은 날개 깃털 전단(leadingedge) 부위에 톱니모양의 돌기를 갖고 있는데, 바로 이 돌기가 올빼미가 비행할 때 나는 소음을 줄여준다고 생각하여 왔다. 이를 익형모델에 적용해본 결과 선도부위의 톱니모양 돌기는 날개의 흡입표면에서 유동박리를 지연시켜 양력을 증가시키고 유동으로 인해 발생하는 소음도 줄이는 것으로 나타났다. 또한 일본에서는 고속철의 집전기에 올빼미 날개에 있는 톱니모양의 돌기를 붙여 유동으로 인해 발생하는 소음을 줄이기도 한다.
날개를 자유자재로 움직여 온갖 종류의 비행이 가능한 잠자리의 날개 후단에는 작은 삽처럼 생긴 돌기들이 있다. 잠자리의 비행기술과 그 효율이 매우 뛰어나므로 연구자들은 잠자리 날개 후단에 부착된 이 작은 돌기들이 양력증가나 항력감소에 도움이 될 것이라 생각하고 익형모델에 적용한 결과 활공비행 시에는 후단 돌기가 항력을 10% 감소시키는 것으로 나타났으며, 2차원 bluff body에 돌기를 부착한 경우에도 항력을 최대 33% 감소시키는 것으로 나타났다.

후속연구

여기서 우리는 위의 두 가지 이유로 인해 생체모방 연구가 실패할 확률을 줄이기 위해서는 특정 생물체와 그 생물체가 가진 형태적 특성에 대한 생물학적 지식을 이해하는 것이 필수적임을 알 수 있다. 특히 분류학자, 생태학자, 진화생물학자들이 생물체와 그 형질의 역사와 생태적인 특징을 파악하는 데에 도움을 줄 수 있을 것이다. 이들은 진화적으로 가까운 종들로 구성된 계통수를 이용하여 특정 형질의 역사를 조사함으로써 그 형질이 조상에서부터 단순히 물려받은 것인지 아니면 실제로 우리가 원하는 기능에 쓰이는 것인지 가늠할 수 있다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

생체모방이란?

혹자는 그리스 신화에서 미노스의 미궁을 벗어나기 위해 새의 깃털을 촛농으로 붙여 날개를 만들었던 이카루스의 아버지 다에달루스를 거론하기도 한다. 생체모방은 자연의 디자인과 작동방식을 모사하고 흉내냄으로써 기계의 성능을 향상시키고자 하는 학문분야를 지칭한다. 여기서 자연이란 동물, 식물뿐만 아니라 미생물이나 바이러스까지 포함하는데, 이들의 가장 큰 특징은 바로 생명체가 출현한 이후 한 순간도 느슨했던 적이 없는 기나긴 진화, 특히 자연선택의 역사를 거쳐 왔다는 것이다.

생체모방에서 자연이란?

생체모방은 자연의 디자인과 작동방식을 모사하고 흉내냄으로써 기계의 성능을 향상시키고자 하는 학문분야를 지칭한다. 여기서 자연이란 동물, 식물뿐만 아니라 미생물이나 바이러스까지 포함하는데, 이들의 가장 큰 특징은 바로 생명체가 출현한 이후 한 순간도 느슨했던 적이 없는 기나긴 진화, 특히 자연선택의 역사를 거쳐 왔다는 것이다. 자연선택으로 인해 주어진 환경에 알맞은 모양이나 형질을 가진 생명체만이 살아남고 번식하여 다음 세대로 그 형질을 전달할 수 있고 그렇지 않은 생명체는 도태되어 버리기 때문에, 자연선택의 역사는 특정 환경에 가장 적합한 형질이 어떤 것인지 알아내는 자연의 시험장과 다르지 않다.

‘융합’이나 ‘통섭’이 과학기술계, 아니 더 나아가 사회 전반의 화두로 떠오르는 이유는 무엇인가?

최근 ‘융합’이나 ‘통섭’이 과학기술계, 아니 더 나아가 사회 전반의 화두로 떠오르고 있다. 이는 여러 학문분야 또는 기술분야가 각자의 특성을 살린 채 통합된 노력을 기울인다면 특정 학문적, 기술적 문제에 있어 훨씬 효율적인 해결방안을 찾아낼 수 있을 것이라는 데에 착안한 것인데, 아마도 이러한 융합, 통섭적 분야에서 가장 오랜 역사를 지녔으면서 또한 가장 성공적이기도 한 분야가 생체모방 분야일 것이다. 생체모방의 역사는 새의 날개모양을 모사해 비행체를 고안했던 레오나르도 다빈치까지 거슬러 올라간다.

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