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자연에서 배운 기술, 자연모사기술

‘자연모사기술(Nature-Inspired Technology)’은 자연의 생태계와 자연 현상 그리고 살아있는 생명체 등의 기본 구조, 원리 및 메커니즘을 모사(Mimetics)하여 공학적으로 응용하는 기술을 말한다. 이 책은 자연모사기술 분야의 세계적 권위자인 김완두 박사가 일반인부터 전문가에 이르기까지 자연모사기술의 중요성과 미래에 대해 이해하기 쉽도록 만든 지침서이다. 자연모사를 통해 지구 생태계와 인류가 공존하는 해법에서부터 급속히 다가오고 있는 4차 산업혁명의 화두인 인공지능과 인류세에 이르기까지 다양한 분석을 제시한다. 지속가능한 미래사회로 발전시키고, 지구 생태계에 끼치는 영향의 최소화와 혁신성장 산업 발전을 위한 새로운 패러다임의 과학기술혁신 체계 구축까지 우리가 나아가야 할 미래를 선명히 보여주고 있다.

청색경제에서 자연모사기술까지, 자연에서 답을 찾다
녹색기술에 기반을 둔 녹색경제의 진보된 개념인 ‘청색경제(Blue Economy)’가 다시금 관심을 받고 있다. 벨기에 태생의 사업가이자 환경운동가인 군터 파울리(Gunter Pauli)는 그의 저서 청색경제에서 2020년까지 자연에서 배운 100가지의 혁신기술로 1억 개의 새로운 일자리를 창출할 수 있다고 주장한다. 세계적인 경제 위기 속에서도 지속가능한 사회로의 발전은 모든 나라가 추구하는 대의명제로 다가오고 있으며, 지속가능 발전에 필수적인 지속가능 기술은 바로 환경 보전, 경제 발전, 동반성장, 고용창출, 안전사회 구현 등을 표방하므로 청색경제의 필요성은 날이 갈수록 크게 대두되고 있다.
‘자연모사기술’이란 자연 생명체의 기본 구조, 원리 및 메커니즘 그리고 자연의 생태계와 자연 현상에서 영감을 얻어 공학적으로 응용하는 기술을 뜻하며, 청색기술, 생태모방기술 등과 유사한 의미로 사용한다. 한마디로 현존하는 공학 기술의 난제를 38억 년의 진화를 통해 최적화된 생명체의 생물학적 분석(Abstraction)과 공학적 설계ㆍ제조 기술로의 전사(Transfer)를 통해 혁신적인 방식으로 해결하려는 다학제간의 융합기술인 것이다.
이처럼 자연모사기술은 국가 전략, 경제 성장, 과학기술 경쟁력 향상이라는 기존 R&D 사업의 목적 달성과 더불어 인간과 자연의 공존, 기후변화 및 환경오염에 선제적 대응, 태동·성장기 신기술 확보를 목적으로 하고 있다. 기존의 공학적 문제해결 방식에서는 많은 에너지가 필요하고 환경에 부담을 주는 다양한 물질을 사용하는 반면, 자연의 방식에서는 많은 정보와 다양한 구조로써 에너지 효율을 극대화하고 환경 부담을 최소화하는 방식으로 문제를 해결하는 것이다.

대한민국의 미래를 이끄는 ‘자연모사’기술
이화여대 최재천 교수는 “대한민국 과학과 기술이 도전에서 단시간에 성과를 낼 수 있는 가장 확실한 분야는 다름 아닌 ‘자연모사기술’이다”라고 말한다. 해외에서는 2000년대 이후 급속히 발전한 마이크로ㆍ나노 단위의 분석 기술과 설계ㆍ제조 기술을 가진 미국ㆍ독일ㆍ일본 등 기술 선진국을 중심으로 기존의 공학 기술을 새로운 차원으로 발전시킬 수 있는 방안으로써 자연모사기술에 활발한 연구 및 투자를 이어가고 있다. 2013년 미국의 샌디에이고 동물원에서 발간한 정책보고서 「Bioinspiration: An Economic Progress Report」에 따르면, 자연모사기술 산업은 2030년에 전 세계 GDP 기준 1.6조 달러를 차지하고, 미국 내에서만 240만 개의 일자리를 창출할 수 있을 것으로 예측된다.
우리나라는 2004년 말, 정부 연구개발사업으로 수행된 ‘나노섬모 자연모사 원천기술 및 기반 구축사업’에서 국내 최초로 ‘자연모사’연구가 진행되었으며 이때부터 자연모사기술이라는 용어를 사용하기 시작했다. 이 책의 저자인 김완두 박사는 이 분야의 세계적인 권위자로서 2006년부터 2008년까지는 한국기계연구원의 전문연구사업 ‘자연모사 응용 바이오기계시스템 기술개발’을 수행했으며, 그 이후 10여 년 동안 ‘생태모사 청정표면 가공기술개발’, ‘생체청각기구를 모사한 인공 감각계 원천기술개발’, ‘자연모사 응용 스마트 물/용제 순환기술개발’ 등 많은 자연모사기술 관련 연구를 수행해오고 있다.
그는 “전 세계적으로 골머리를 앓고 있는 기후변화, 에너지·자원 부족, 생태계 파괴, 환경오염, 미세먼지 등의 모든 문제들은 지구의 생태용량을 초과하여 나타나는 현상”이라고 지적하고, “자연은 인간이 가지고 있는 여러 문제점 즉, 환경, 물, 에너지, 기후변화 등에 솔루션을 제공해 줄 것”이라고 주장한다. 그 중에서도 특히 “초연결·초지능 사회 구현을 위한 4차 산업혁명의 물결이 거세게 일고 있지만, 지구 자연 환경을 고려하지 못한 일방적 과학기술 발전과 산업화의 가속화로 인한 에너지·자원 고갈, 환경 파괴 및 기후변화는 더욱 가속화될 것으로 우려된다. 지속가능한 미래사회로 발전시키고, 지구 생태계에 끼치는 영향의 최소화와 혁신성장 산업 발전을 위한 새로운 패러다임의 과학기술혁신 체계 구축이 필요한 시점”이라는 제언은 우리 과학기술계와 관련 산업계가 구체적으로 귀 기울여야 할 대목이라 할 수 있다.

자연을 배우고, 이해하고, 따라한다
이 책의 1장에서는 ‘지속가능한 미래를 위한 패러다임의 전환’이라는 주제로 다시 새롭게 자연에 눈을 돌려 지구 자연 생태계와 인류가 공존할 수 있는 새로운 패러다임의 기술개발과 청색경제 발전에 기여할 수 있는 지속가능한 미래의 산업혁명이 이루어지기를 기대하는 내용이 다루어진다. 2장에서는 ‘자연과 과학 그리고 예술’에 대한 필자의 기고문을 중심으로 흥미 있는 얘기가 소개된다. ‘자연의 여신과 과학의 여신’, ‘자연의 가치’, ‘자연스러움의 비밀’, ‘생물의 다양성과 생물자원의 가치’, ‘생체모방에서 자연모사로’, ‘한글의 보편성’, ‘예술과 과학의 만남’, ‘아티언스의 선구자, 레오나르도 다빈치’, ‘자연모사기술과 자동차’, ‘자연의 비밀로 에너지 효율을 높이다’ 등의 다양한 주제가 펼쳐진다.
3장에서는 자연모사기술에 관심을 두고 있는 전문가는 물론이고 중고등학생이나 일반인도 이해하기 쉽도록 ‘자연에서 배운 기술’에 대해 설명하며, 4장에서는 여러 가지 대표적인 ‘자연에서 영감을 얻은 다양한 디자인과 건축물’의 사례를 소개한다. 5장은 본인이 직접 연구에 참여해온 분야인 인간과 동물의 감각기관을 모사한 여러 첨단 기술들을 소개하며, 6장에서는 4차 산업혁명 시대에 더욱 관심이 높아지고 있는 3차원 프린팅 기술의 최근 이슈와 4차원 프린팅과 바이오프린팅 기술 개념, 그리고 인공장기를 프린팅하는 기술에 대해 소개한다. 마지막으로 7장에서는 책을 마무리하면서 4차 산업혁명과 최근의 핵심 키워드가 되고 있는 인공지능과 인류세에 대한 저자의 생각을 피력한다.
인간의 역사는 기술의 역사이며, 기술의 역사는 자연모방의 역사라고 해도 과언이 아니다. 지렁이들이 토양을 가꾸어 지구의 얼굴을 바꿔 놓았다는 다윈의 지렁이를 비유하면 자연을 모방하여 기술을 개발한 인간도 지구의 모습을 바꾸고 있다. 자원 고갈과 환경 파괴 및 기후변화 등으로 몸살을 앓고 있는 지구 문제도 자연모사기술을 통해 해결할 수 있으리라 기대하는 것은 당연하다.
자연모사기술은 결코 쉬운 분야가 아니다. 자연을 이해하는 것도, 자연에서 아이디어를 추출하여 공학적으로 응용하는 것도 모두 어려운 일이다. 하지만 자연모사기술이 가지고 있는 가치를 안다면 혁신적인 미래를 위한 개발자들의 도전은 계속될 것이라 믿어 의심치 않는다. 이 책은 그 한 걸음을 내딛기 위한 지침서로서 제 역할을 다할 것이다.

머리말 / 추천사 / 목차
제1장 지속가능한 미래를 위한 패러다임의 전환
1. 지구용량초과일
2. 자연이 알려주는 것들 - 청색경제와 자연모사기술
3. 다시 자연으로 돌아가자!

제2장 자연과 과학 그리고 예술
1. 자연의 여신과 과학의 여신
2. 자연의 가치
3. 자연스러움의 비밀
4. 생물의 다양성과 생물자원의 가치
5. 생체모방에서 자연모사로
6. 한글의 보편성
7. 예술과 과학의 만남 - 아티언스와 아르스
8. 아티언스의 선구자, 레오나르도 다빈치
9. 자연모사기술과 자동차
10. 자연의 비밀로 에너지 효율을 높이다

제3장 자연에서 배운 기술, 자연모사기술
1. 자연과 자연 생태계
2. 생물의 다양성
3. 자연모사기술이란?
4. 자연모사기술의 분류
5. 국제표준화기구(ISO) 활동
6. 온톨로지와 정보공유

제4장 자연에서 영감을 얻은 디자인과 건축물
1. 도토리거위벌레의 기계공작법
2. 상어 피부는 LOHAS
3. 자연에서 영감을 얻는 ‘블루골드’ 물 산업
4. 물총새와 고속 열차
5. 반딧불이와 나방에서 발견한 ‘무반사’ 나노 구조
6. 자연의 황금비율, ‘해바라기꽃’의 비밀
7. 얀코디자인의 자연모사기술 10선
8. 자연에서 영감을 얻은 건축물
9. 정자나무 그늘을 모사한 도심 속의 쉼터

제5장 생명체의 감각기관
1. 감각 센서
2. 동물의 초감각기관
3. 식물의 감각기관
4. 소리를 듣는 메커니즘
5. 청각장애 및 인공 청각기구

제6장 인체 조직·장기를 프린팅하다
1. 3차원 프린팅 기술이란?
2. 4차원 프린팅 공정과 자연 생명체의 성장
3. 3차원 바이오프린팅과 인공장기

제7장 마무리하면서
1. 4.0에서 4.3의 시대로
2. 인공지능
3. 인류세에 대해

다빈치의 과학적 사고와 기발한 발명품과 예술 작품은 여전히 인류에게 크나큰 영감을 주고 있으며, 수많은 영향을 미치고 있다. 이런 다빈치의 자연과 과학에 대한 생각을 함축적으로 표현한 문장이 있다. “자연은 모든 것이 과학적이다(과학적이지 않은 것이 아무 것도 없다; Nothing can be found in nature that is not a science).” 다빈치는 생체모방/자연모사기술에 대한 수많은 자료와 업적을 남겼으며, 스스로 예술과 과학을 접목시키는 데 많은 노력을 기울인 진정한 융합 연구자이자 당대 시대 아티언스의 선구자라고 할 수 있다.
- 57p

자연모사기술의 몇 가지 사례를 살펴보면, 흰개미집의 자연 통풍 원리를 모사한 짐바브웨의 한 쇼핑센터는 냉난방에 사용되는 에너지의 90% 이상을 절감했다. 국내에서 개발된 혹등고래의 울퉁불퉁한 모양을 모사한 팬은 소음을 2dB 이상 감소시켰고, 소비 전력을 10% 이상 저감시키는 효과를 거두었다. 또 사람의 고막과 달팽이관 속의 청각기관을 모사한 감응 시스템 개발은 기존의 청각 보조 장치의 소비 전력을 대폭 저감시킨 성과를 거두었다. 거미를 모사한 진동감지센서는 기존의 공학적인 진동감지센서보다 100~1,000배까지 민감도를 높이는 우수한 성과를 보였다. 상어 피부를 모사한 수영복의 경우에 물의 저항을 5% 이상 저감시킨 사례도 있다.
- 88p

해바라기의 관상화를 이루는 작은 꽃의 배열은 정교한 기하학적 나선형 모양을 이루고 있으며, 이 배열에 따라 해바라기 씨가 채워지게 된다. 해바라기 씨는 동일한 공간에 가장 많은 수가 채워질 수 있는 배열로 최적화되어 있는데, 이 나선의 수는 ‘피보나치 수열’과 완벽히 일치하는 배열을 가지고 있다. 피보나치 수열이란, ‘한 쌍의 토끼가 2개월 성장한 후에 한 달에 한 쌍의 토끼를 계속 낳을 경우, 매달 전체 토끼 수가 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55쌍…으로 불어나는 숫자’를 뜻하며, 임의 달에 살고 있는 토끼의 수는 앞선 두 달의 수를 합한 값이 된다.
- 148~149p

인간이 가지지 못한 대표적인 감지 능력이 바로 전자기장이다. 인간은 전 자기장을 거의 느끼지 못한다. 그러나 도요새나 바다거북, 메기 등은 전자기장을 잘 감지한다고 알려져 있다. 전자기장을 감지하는 대표적인 예로 철새들의 눈 안에 들어 있는 크립토크롬(Cryptochrome)이라는 단백질이 있다. 인간은 자기장을 느끼지 못하므로 시각화해서 본다는 건 상상도 할 수 없는 일이지만, 크립토크롬이 있는 철새는 자기장을 가시화하여 볼 수 있다는 최근의 새로운 연구 결과가 있다.
- 191p

4차 산업혁명은 초연결/초지능 사회를 표방하고 있으며, 지능정보기술은 다양한 분야에 활용될 수 있는 범용 기술로의 특성을 지녀 사회 전반에 혁신을 유발하고 광범위한 사회·경제적 파급력을 나타낼 것으로 기대하고 있다. 데이터와 지식이 산업의 새로운 경쟁의 원천으로 부각되어 산업 구조의 변화를 초래하고, 자동화로 대체되는 업무 확대와 신산업 분야에서 새로운 일자리가 창출되는 고용 구조의 변화를 가져올 것으로 예측되고 있다. 또한 각종 서비스의 비용 감소와 품질 향상으로 편의성이 증대되고 생활 전반에 걸쳐 개인 맞춤형 서비스 제공이 확대될 것이다.
- 229p