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Kafe 바로가기주관연구기관 | 서울대학교 Seoul National University |
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연구책임자 | Piotr Grzegorz Jablonski |
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 | 대한민국 |
발행년월 | 2019-11 |
과제시작연도 | 2019 |
주관부처 | 과학기술정보통신부 Ministry of Science and ICT |
연구관리전문기관 | 한국연구재단 National Research Foundation of Korea |
등록번호 | TRKO202000002502 |
과제고유번호 | 1345303635 |
사업명 | 개인기초연구(교육부)(R&D) |
DB 구축일자 | 2020-07-29 |
키워드 | 자연모사.운동.기능형태.발수구조.도약.수면 장력.형태적 적응.반수생 곤충.곤충의 털.bioinspiration.locomotion.functional morphology.water repellent structure.jumping.water surface tension.morphological adaptation.semi-aquatic insects.insect setae. |
□ 연구개요
본 연구에서는 현존하는 몸집이 가장 큰 소금쟁이 두 종인 Gigantometra gigas와 Ptilomera hylactor에 대하여 야외 및 실험실 기반 연구를 수행하여 그들의 운동 행동을 분석하고, 운동에 사용되는 미세 구조 파악을 위해 광범위한 현미경 검경을 수행했다. 이를 통해 이들 곤충의 수면에서의 생활에 대한 몇 가지 복잡한 적응을 새로 발견해냈다. 이를 바탕으로 수면에서 보행하고 도약할 수 있는 로봇의 다리구조 디자인에 대한 아이디어를 제안하고 3D 프린터를 이용하여 프로토타입을 제작함으로써 수면에
□ 연구개요
본 연구에서는 현존하는 몸집이 가장 큰 소금쟁이 두 종인 Gigantometra gigas와 Ptilomera hylactor에 대하여 야외 및 실험실 기반 연구를 수행하여 그들의 운동 행동을 분석하고, 운동에 사용되는 미세 구조 파악을 위해 광범위한 현미경 검경을 수행했다. 이를 통해 이들 곤충의 수면에서의 생활에 대한 몇 가지 복잡한 적응을 새로 발견해냈다. 이를 바탕으로 수면에서 보행하고 도약할 수 있는 로봇의 다리구조 디자인에 대한 아이디어를 제안하고 3D 프린터를 이용하여 프로토타입을 제작함으로써 수면에 서식하는 현존하는 몸집이 가장 큰 동물(G. gigas)이 수면에서 도약하는 물리적 메커니즘의 새로운 이론적 모델을 정립하였다. 그 결과 소금쟁이의 몸집이 커짐에 따라 증가하는 포식 위험으로 하여금 두 가지의 다른 물리적 메커니즘이 존재하는 것으로 나타났다. 수중에 서식하는 곤충과의 비교를 통하여 Ptilomera의 중간다리에 수면 파괴 없이 노를 저을 수 있게 하는 특별한 구조가 있음을 실험적으로 입증했다. 또한, 소금쟁이가 자신의 경험을 통해 운동 행동을 조절할 수 있다는 것과, 이러한 행동 조정을 통하여 이들이 수면에서 최적의 운동 행동을 한다는 것을 알아냈다. 이 조절 능력은 수면에서의 생활에 대한 형태적 적응의 진화를 매개한다.
□ 연구 목표대비 연구결과
목표 1에 따라, 본 연구에서는 학계 최초로 수면에 사는 가장 무거운 생물체가 갖는 형태적 적응을 기술하고 그에 대한 기능형태학적 설명을 제공하였다. 다리에서 새로 발견된 여러 나노 구조 요소의 운동 기능을 파악했으며, 공학자와의 협력을 통하여 수면에서 평생을 지내는 가장 몸집이 큰 곤충이 수면에서 이동하는 물리적 메커니즘에 대한 새롭고 정확한 이론적 모델을 정립하였다.
또한 본 연구에서 계획된 목표 2와 목표 3에 따라, 빠르게 흐르는 물에서 서식하는 소금쟁이 Ptilomera hylactor의 중간다리와 뒷다리에 존재하는 마이크로, 나노 구조와 그 기능을 규명하였다. 이에 따라 중간다리에 존재하는 긴 리본 모양의 ‘노’가 수중 곤충이 갖고 있는 비슷한 구조의 노와는 달리 수면을 깨지 않고 작동하도록 독특하게 설계되었음을 알아내었다.
더 나아가 본 연구에서 계획된 목표 4에 따라, 수면에서의 운동에 중요한 나노 구조를 가진 인공 다리 디자인에 구체적인 방안을 마련하였다. 공학자들과의 협력을 이용하여 3D 나노 프린팅 기법에 기반하여 소금쟁이 다리 구조를 충실하게 모방한 다리의 프로토 타입을 제작하였다.
□ 연구개발결과의 중요성
본 연구의 결과는 미래의 자연모사 기술에 대한 새로운 기반을 제공한다. 기존의 좁은 생물학적 지식은 생물학에서 영감을 구하는 공학자들의 접근을 제한한다. 본 연구에서는 수상 보행 로봇 분야에 있어서 이러한 한계를 제거했다. 본 연구에서 이뤄낸 일련의 발견은 차세대 로봇 개발에 이용될 수 있는 완전히 새로운 다리와 운동 패턴을 디자인하는 데에 영감을 줄 것이며, 이러한 디자인에는 개체의 학습이 수면에서의 운동을 최적화하는 과정을 구현하는 것도 도움이 될 것이다. 본 연구에서 이뤄낸 발견은 학계에 전혀 새로운 것이다. 본 연구의 발견은 진화생물학자가 새로운 서식지에서 생명체가 진화하는 과정에 미치는 물리적 환경과 포식자의 역할을 새롭게 인식하고 이해할 수 있게 해준다.
(출처 : 연구결과 요약문 4p)
□ Overview of research
We conducted expedition-based field studies and laboratory-based experiments on locomotor behavior, and performed extensive microscopic imaging of morphological microstructures used in locomotion by Gigantometra gigas and Ptilomera hylactor - the two largest species of wate
□ Overview of research
We conducted expedition-based field studies and laboratory-based experiments on locomotor behavior, and performed extensive microscopic imaging of morphological microstructures used in locomotion by Gigantometra gigas and Ptilomera hylactor - the two largest species of water striders. We discovered several new complex adaptations to life on water surface. We proposed ideas for designs of artificial legs for water walking/jumping robots and collaborated in 3D printing of prototypes. We collaboratively created new theoretical models of physical mechanisms of jumping by the world-largest animals that live on the water surface (G. gigas). We revealed that predation risk causes switch between two different physical mechanisms as the size of water strider increases. We experimentally proved, by comparison with under-water insects, the unique specializations of Ptilomera midlegs to rowing without surface breaking. We determined that water striders are able to learn from their own experience to adjust their locomotion and this behavioral adjustments result in optimial behavior performed on surface of water. This ability to adjust mediates evolution of morphological adaptations to life on water surface.
□ Results of research compared with research goals
In accordance with the Main Goal 1, we provided (for the first time in science), the functional morphological description of newly discovered morphologcal adaptations to life on water membrane by the heaviest creatures that liveson the water surface. We determined locomotor functions of several freshly discovered nano-structural elements on the legs, and in collaboration with engineers created a new and accurate theoretical model of the newly discovered (in this project) physical mechanisms of locomotion on the water surface by the world largest insect that spends all its life on the surface of water
In accordance with the Main Goal 2 and Goal 3 we determineed the structure and function of several newly discovered micro- and nano-structural elements on the midlegs and hindlegs of the largest water strider that specializes in fast flowing waters (Ptilomera hylactor). We determined that the ribbon-like midleg’s “paddles’ are uniquely designed to work whithout breaking of the water surface, unlike similar paddles in under-water insects.
In accordance with the Main Goal 4 we proposed specific plans of creating novel designs of artificial legs with nano-structures that contain the crucial nano-structural elements important for locomotion on water surface. We collaborated with engineers who produced prototypes of 3D nano-prints of the legs imitating faithfully the legs of real water striders
□ Importance of R & D Results
Results provide novel bases for the future bioinspired technology. Existing narrow biological knowledge limits engineers seeking inspiration in biology. We removed those limits in the field of water walking robots. We provided a series of new discoveries that will inspire entirely new leg designs and new motor patterns of locomotion in the next-generation robots, as well as the implementation of individual learning in optimized locomotion on water surface.
The discovered facts are new to science. Our discoveries provides evolutionary biologists with new discoveries and new understanding of the role of physical environment and predators in evolution of biological organisms in novel habitats.
(출처 : Summary 3p)
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