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자연에서 영감을 얻어 발견한 여러 과학 아이디어들

『바이오미메틱스』는 자연의 섭리를 적용한 첨단과학기술 ‘바이오미메틱스’를 소개한 책이다. 해양생물학, 생체역학과 제어, 생물의학 등 각 분야의 권위자들이 첨단 과학을 가능하게 한 소재들을 발견하게 된 과정을 들려주면서 이들이 어떤 효과를 낼 수 있는지 설명한다. 꿀벌의 알고리즘을 통해 여러 개의 태양열 패널이 달린 위성을 우주로 보내 연료의 사용을 최소화하고, 심해에서 소리를 듣는 돌고래의 알고리즘을 통해 음파 탐지기를 발명하는 등의 이야기를 사진과 함께 간결하면서도 흥미진진하게 들려준다.

과학은 어떻게 자연의 비법을 첨단기술 설계에 적용했는가?
총알도 막는 날개라고?

방오 가공뿐만 아니라 자체 정화 기능도 있는 직물, 공중에서 모양을 바꾸어 바람의 흐름을 활용하는 비행기 날개, 작은 톱니 모양으로 설계되어 실질적인 고통 없이 피부를 뚫고 주사액을 주입할 수 있는 피하지방 주사 바늘.

공상과학 소설에나 나오는 이야기처럼 들리겠지만 실제로 최근에 바이오미메틱스(biomimetics) 분야가 급속히 발전하면서 수십억 년 된 자연의 섭리를 적용한 첨단과학기술이 등장하고 있다. 바이오미메틱스는 자연이 영겁의 세월 동안 시행착오를 거치며 실험해 온 법칙들을 물리학, 화학, 재료과학, 공학에 받아들이고 자연을 기술 진보와 발상의 근원으로 삼아 가장 성공적인 기술 개발 방식과 전략을 찾고 있다.

예를 들어, 연꽃의 밀랍 방수 표면은 오염 방지 기술을 알려주고, 맹금류의 깃털은 변형 가능한 비행기 날개 설계에 영감을 주며, 톱니 모양으로 생겨 신경 둔화 기능이 있는 모기의 긴 주둥이는 피하 주사로 개발되었다. 프레리도그와 흰개미의 집은 효율적으로 열과 더위를 피할 수 있는 건물 설계에 교훈을 주었다. 또 돌고래의 의사소통에 대한 연구가 수중음파탐지 기술에 어떻게 도움을 주었는지를 보여준다.

가볍고 편안하면서도 유동적이고, 공격받았을 때 단단해져서 몸을 보호해 주는 방탄복을 개발하는 것이 불가능하다고 생각하는가? 해양생물학자들은 수천 년 동안 진화해 온 자연에서 영감을 얻어 이러한 종류의 소재를 개발했다.

외양간올빼미는 어떻게 소리를 내지 않고 날 수 있을까? 돌고래는 깊은 바다속에서 어떻게 소통할까? 인간의 근육 움직임의 원리를 연구하여 더 조작하기 쉬운 로봇을 개발하는 데 적용할 수 없을까? 꿀벌 떼를 관찰해서 새로운 협동 작업 방식을 찾을 수 없을까?

재료와 설계에서 의사소통과 협력에 이르기까지 다양한 주제를 다루는 이 책에서는 이 같은 멋진 질문들에 대한 해답이 제시되어 있다. 자연법칙에 따라 진화한 생물을 연구하면서 공학적 문제를 완전히 새로운 방식으로 해결하는 법을 배울 수 있다.

이 책은 인구와 기후의 변화에 따라 설계와 기술 분야에 더 정확하고 효율적인 해결책을 찾아야 할 이 필요성을 설명하며, 과거 진화를 재발견함으로써 흥미로운 미래를 엿보게 해준다.

머리말 /로버트 앨런

CHAPTER 1 해양생물학 /지넷 옌
CHAPTER 2 인간 모사 로봇 /요셉 바 코헨
CHAPTER 3 해양 생물 음향학 /도모나리 아카마츠
CHAPTER 4 협동의 힘 /로버트 앨런
CHAPTER 5 열과 유체유동 /스티븐 보겔
CHAPTER 6 신소재와 자연주의적 설계 /줄리안 빈센트

용어해설
기고자들
참고자료
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로봇 물고기는 어떻게 작동할까?
생체 모사 해양 로봇을 활용해 생물학적 원리를 실험해 본 결과, 해양 생물체에 대한 의문 세 가지를 풀 수 있었다. 첫 번째 의문은 관찰된 헤엄 속도를 낼 정도로 참치가 충분한 근육을 가지지 못했다는 ‘그레이의 패러독스(Gray's paradox)’이다. 이와 같은 맥락의 두 번째 의문은 표피가 얇은 해파리가 어떻게 제트 추진 속도를 견디는가 하는 것이다. 세 번째 의문은 공중과 수면의 경계에서 움직일 추진력을 제공하는 표면장력파를 일으킬 만큼 새끼 소금쟁이가 발을 빠르게 움직일 수 없다는 ‘대니의 패러독스(Danny's paradox)’이다. 개별 조사를 통해 과학자들은 이 같은 의문에 대해 비슷한 결론에 도달했다. 참치는 정확한 빈도로 꼬리지느러미를 움직여 이전의 움직임에서 발생한 에너지를 극대화해서 포착한다. 해파리는 새로 생성된 소용돌이가 이전의 것과 충돌할 때 둥근 머리 근육을 써서 쉽게 앞으로 헤엄친다. 소금쟁이는 다리를 움직일 때 수면 아래로 소용돌이의 추진력이 발생하는데 발이 노처럼 작용하고 반월판이 노의 날개 역할을 담당한다. 이 소용돌이의 힘이 유동적인 움직임으로 변환되어 소금쟁이가 수면에서 미끄러지게 해준다.
이 모든 해양 생물이 소용돌이로부터 에너지를 얻는데, 이것은 인간이 고안한 장치에서는 보기 드문 혁신적인 작용이다. 소용돌이는 주로 물체가 공기나 물과 같은 유체를 통과하며 움직일 때 발생한다. 물고기가 꼬리지느러미를 펄럭이면 반류 속에 유체가 생성되고 그 속에 추진력을 발생시키는 소용돌이도 포함된다. 참치의 헤엄 원리를 적용한 로봇 참치는 이전 움직임이 남긴 에너지와 결합해 약화시키는 역회전 소용돌이꼴(whorl)을 형성하기 위해 때맞춰 꼬리지느러미를 움직인다. 이렇게 하면 헤엄 효과가 증대되어 그레이의 패러독스가 제시한 의문을 풀 수 있다. 프로펠러보다는 플래핑 포일(Flapping foil)이 더 효과적인데, 이는 포일의 힘이 움직이는 방향을 향해서 물고기의 몸을 따라 공간 이동 파장처럼 작용하기 때문이다. 에너지는 대부분 힘이 움직이는 방향을 향해 수직으로 전달되는 프로펠러에서 소비된다. 생체 모사 해양 로봇이 보여주는 것처럼 플래핑 포일의 추진력은 높은 기동성을 제공한다. 꼬리지느러미를 움직여 앞으로 나아가되 머리는 움직이지 않아서 해양 탐사 장치로 유용하다.
가장 흥미로운 사실은 로봇을 진짜 물고기처럼 헤엄치게 하려면 복잡한 제어 장치나 많은 기술적 요소 없이 앞뒤로 움직이는 지느러미 하나면 충분하다는 것이다. 이런 단순한 펄럭임으로 실제와 동일한 움직임을 만드는 비결은 꼬리지느러미의 소재 선택에 있다. 선택된 소재는 앞으로 나아가거나 움직이는 동안 몸체로 유체역학 에너지를 최적화해 배분할 수 있다. 먼저 꼬리지느러미가 움직여 하나의 소용돌이를 생성한다. 그러고 나서 꼬리지느러미의 움직임이 조정된다. 지느러미를 움직이는 타이밍을 설정해 반류 속으로 발생하는 소용돌이가 반대로 회전하는 소용돌이와 만난다. 마지막으로 포일이 소용돌이의 에너지를 포착한다. 이와 같은 분명한 주기가 플래핑 포일의 효율을 극대화해 앞으로 나아가게 해준다는 것이 실험을 통해 밝혀졌다.