1. 생체모방기술이란?
생체모방기술은 생명을 의미하는 단어 ‘bios’와 모방을 뜻하는 단어‘mimesis’를 합친 용어로, 자연의 시스템을 관찰하여 인류에게 유익한 새로운 영감을 얻는 과정을 통칭한다. 이 용어는 1997년 재닌 베 니어스가 펴낸 ≪생물모방≫이 주목을 받으면서 널리 사용되기 시작했으며 이 책의 출간을 계기로 생 물모방은 21세기의 새로운 연구 분야로 각광을 받기 시작했다. 21세기 들어 나노기술의 비약적인 발 달로 인해 생물의 구조와 기능을 본뜬 물질을 만들어 낼 수 있게 되면서 생체모방기술에 대한 관심은 더욱 높아지고 있다.
자연의 시스템을 관찰 새로운 영감을 얻는 것
1. 설계모델로써의 자연 : Nature as Model
2. 판단기준으로써의 자연 : Nature as Measure
3. 조언자로써의 자연 : Nature as Mentor
공학적 난제에 대한 해결책
제공 지속가능한 시스템과
생존 기술의 비법 발견 인류에 대한 조언과 선도
3. 생체모방기술의 발상 과정
생체모방기술의 발상 과정은 발견하기, 추상적 사고하기, 브레인 스토밍하기, 모방하기, 평가하기의 단 계를 거쳐 진행됩니다.
생체모방기술 프로세스
발견하기 추상적
사고하기 브레인스토밍 모방하기 평가하기
자연계에 존재하는 생명체가 갖는 고유한 외형적
·구조적 특징이나 독특한 구성 물질을 발견하기
발견한 특징의 존재 이유에 대해
생명체의 서식 환경을 고려하여
가설 세우기
가설이 성립할 경우 생명체의 특징을 실생활의
어디에 어느 정도의 효과로 적용할 수 있는지
예상하기
생명체의 특징에 대한 가설을 증명하고 이를
모방하여 실생활에 적용 가능한 형태로 단순화하기
생체모방기술을 통해 얻을 수
있는 효과를 평가하고, 생명체의 기능을 모방하는데서 더 나아가 더 뛰어난
시스템을 구성하기
STEAM 준거 틀
상황제시 창의적설계 감성적체험 성공의경험
나선구조는 식물의 잎 구조, 해바라기 씨의 구조, 조개의 형태, 우주 은하계의 구조 등과 같이 자 연의 다양한 곳에서 관찰된다. 이와 같은 나선형 구조는 좁은 면적에 효율적으로 적용 될 수 있는 구조로써 계단 등에 활용되며 다양한 디자인 오브제에 적용되어 재탄생 되고 있다.
4. 생물들의 생존 전략
지구상의 생물들은 화석연료를 사용하지 않고 지구를 오염시키지도 않으면서 각기 다른 전략을 통합 하고 활용하여 생존해왔습니다.
5. 생체모방기술의 예시
1) 식물의 생체 모방
물총새의 경우, 대기 중에서 매우 빠른 속도로 물 속으로 다이빙 할 때에도 거의 물을 튀기지 않는 다. 이러한 물총새의 부리 모양을 본 떠 마치 새의 부리처럼 날렵한 모습으로 열차의 앞면 디자인 을 수정하였더니 이전과 비교하여 열차의 속도는 더욱 증가하고 에너지의 사용은 감소하게 되었다.
인체의 방호막인 피부는 적당한 습도를 유지하는 매우 정교한 체계를 가지고 있다. 피부의 세포 내 에서 만들어지는 천연 보습인자가 수분의 증발을 억제하도록 기능한다. 천연보습인자는 케라틴 단 백질이 분해, 변형되면서 만들어지며 히아론산이라는 인체의 고분자 물질은 강력한 피부 보습 역할 을 한다. 이러한 피부 보습 작용을 본떠 만든 것이 로션이나 크림 형태의 보습 화장품이다.
2) 동물의 생체 모방
3) 인체의 생체 모방
생체모방기술은 여러 분야에서 발달되어 우리 생활에도 많이 활용되고 있으나 가장 눈에 띄는 분야는 생체모방로봇분야이다. 군용이나 위험한 상황에 대처하기 위한 형태로 개발되어 점차 성과가 가시적으 로 나타나고 있다.
1. 독일, 새처럼 비행하는 로봇 ‘스마트버드’ 개발
독일의 페스토사에서 ‘스마트 버드(SmartBird)’라는 생체모방 로봇을 만들었다. ‘스마트 버드’는 길이는 1m, 질량 450g정 도로 가벼워서 날개를 위아래로 움직이고 실제 날아가는 모 습이 새와 매우 비슷하고 스스로 시동을 걸거나 방향을 바 꿀 수 있고, 에너지 절약기능을 갖추고 있다.
유투브에서 ‘mechanical bird’ 검색 또는
http://www.youtube.com/watch?v=Fg_JcKSHUtQ 에서 직접 날아다니는 스마트버드의 모습을 확인할 수 있다.
2. 나노벌새로봇(Nano Hummingbird)
하늘을 나는 모습이 벌새와 비슷하고 크기가 작아 군용으 로 개발된 생체모방로봇이다. 공중에서 정지비행이나 전후 좌우로 날 수도 있고 카메라를 장착하여 영상 전송도 가 능하다. 동영상을 통해 나노벌새로봇의 움직임을 확인할 수 있다.
http://www.youtube.com/watch?v=xolH02Zba04
3. 생체모방로봇
http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=Tq8Yw19bn7
다양한 형태의 로봇들이 생물을 닮은 모습으로 만들어지고 있음을 알 수 있고 생명체들의 단순한 형태가 얼마나 움직임에 효율적인 지를 깨닫게 해 준다.
4. 로봇(빅도그)
http://www.youtube.com/watch?v=W1czBcnX1Ww4족 보행 로봇으로 최대 150kg의 화물을 싣고 매우 거친 산악지형에서도 이동할 수 있는 형태로 개발되었다.
5. 뱀의 모습을 흉내 낸 로봇 뱀
머리 부분에 센서와 카메라가 달려 있으며 붕괴된 건물이나 좁은 틈으로 이동하 면서 재난 상황에서 사람을 구조하기 위해 만들어진 뱀의 움직임을 흉내 낸 로 봇이다.
6. 바퀴벌레를 닮은 로봇 렉스
렉스는 바퀴벌레를 모방하여 만들어서 땅 위에서는 다리를 회전시키며 6개의 다리로 움직이며, 물속에 서는 다리가 지느러미로 변신하여 헤엄칠 수도 있다.
생체모방기술 연구원에게 들어 보는 생체모방기술 이야기
서울대학교 생체모방기술 연구소 김주하연구원에게 직접 생체모방기술에 관한 이야기를 들어보았습니다.
“생체모방기술이란 무엇인가요?”
생체모방기술은 자연계에서 살고 있는 동물, 식물의 형태적이나 구조적 특징으로부터 아이디어를 얻어서 실생활에서 활용할 수 있는 기술을 개발하는 연구를 총칭합니다. 예를 들면 물속에서 빠른 속력을 내는 상어의 표면이 울퉁불퉁한 구조를 가집니다. 이를 응용하여 표면이 울퉁불퉁한 수영 복을 만들면 물속에서의 저항이 줄어들어서 수영 선수들이 빠른 기록을 낼 수 있습니다.
“생체모방기술 연구소에서는 어떠한 연구를 하나요?”
저희 연구소에서는 생명체의 구조적 형태적 특징으로부터 아이디어를 얻어서, 주로 우리 주위를 흐르는 공기나 물의 흐림을 우리가 원하는 방향으로 바꾸는 연구를 하고 있습니다. 예를 들면 상 어는 물속에서 10번째로 빠른 물고기이고 가장 빠른 물고기는 돛새치입니다. 돛새치의 속도는 물 속에서 시속 110km 정도 인데, 자동차로 시속 100km 의 속력으로 달리는 정도라고 생각하면 됩 니다. 저희 연구소에서는 돛새치의 표면에 어떠한 구조가 있는지 연구하기 위하여, 돛새치가 서식 하는 말레이시아로 가서 직접 돛새치를 잡아 왔습니다. 돛새치의 표면을 연구한 결과 특이한 구조 를 발견하였고, 그 구조를 에어컨실외기의 표면에 적용을 하여서, 소음을 줄이는 결과를 얻을 수 있었습니다. 이 외에도 다른 여러 생명체의 특징을 연구하여서 저항을 줄이거나 양력을 증가시키 는 연구를 진행 하고 있습니다.
학습지 1. 나는 누구일까요? ( )학년 ( )반 이름 ( )
■ 동물의 생김새를 관찰하고 사각형으로 표현해보세요.
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학습지 2. 자연을 본뜨다 ( )학년 ( )반 이름 ( )
1. 생물의 이름:
2. 특징(사진을 붙이고, 간단히 요약하세요.)
3. 생체모방의 모티브 스케치
생각펼치기 참고자료
도마뱀의 발바닥을 본뜬 접착제, 게코테이프
1. 도마뱀붙이(Gekko)는?
우리나라와 일본 중국, 타이완 등 동아시아에 사는 도마뱀의 한 종류로 주로 민가 주변에서 볼 수 있 다. 발가락에는 흡반이 달려 있으며, 길고 납작한 발톱 밑면은 작은 판으로 덮여 있으며, 이 판에는 수많은 돌기의 미세 구조가 있고 돌기 끝은 두 갈래 로 갈라져 있어 수직으로 기어 오르내릴 수 있다.
2. 스티키봇(Stanford StickyBot)
2006년 미국 스탠포드대 김상배 연구원에 의해 제작되어 올해의 발명 장난감상을 수상하였으며 미세 섬유조직으로 이루어진 빨판이 있는 발바닥을 가지고 있어 유리창을 자유자재로 오르내리는 로봇이다.
스티키봇(끈적이 로봇)의 발바닥에는 나노크기의 털은 도마뱀붙이의 발바닥에 있는 털을 모방하여 만 든 것으로 초속 4cm 정도의 속력을 낼 수 있다고 한다.
Ÿ 스티키봇(Stanford StickyBot) http://www.youtube.com/watch?v=odAifbpDbhs
3. 게코테이프
과학자들은 도마뱀붙이(게코)의 발바닥에서 착안 하여 아주 가는 섬모를 수억 개 만들어서 접착제 로 사용하고자 하였다. 게코의 발닥에 있는 섬모 역할을 할 수 있도록 탄소나노튜브에 고분자 코 팅을 하여 벽에 붙였더니 높은 밀도의 섬모 덕분 에 약한 반데르발스 힘 증가하여 벽에 잘 달라붙 었고, 이 테이프를 ‘게코테이프’라 부르게 되었다.
이 테이프를 벽면에 붙여서 벽면과 수평으로 당길 때에는 서로의 접촉 면적이 넓어져서 약한 반데르발스의 힘이 증가하게 되어 접착력이 크게 나타나지만, 수직으로 당기게 되면 인공 섬모와 벽 사이에 붙은 면적이 적어져 약한 반데르발스 의 힘이 감소하므로 잘 떨어진다. 섬모의 밀도를 높이면 실제 도마뱀의 발바닥보다도 접착력이 더
강한 테이프를 만들 수 있다고 한다.
게코테이프 http://www.youtube.com/watch?v=sb4CAVSa4Qo
▎생체모방 아이디어 찾아보기
부록에 제시된 포토킷을 활용하여 다양한 생체모방아이디어를 익혀보자!!
생물들이 저마다 지닌 특기를 살펴보자!
독특한 외형과 단단한 골격을 가진 오스트락숀 쿠비쿠스(일명 노랑거북복)가 큰 몸집에 비해 빠른 속 도로 헤엄치는 바다물고기인 것에 착안하여 메르세데스 벤츠사에서는 형태를 모방한 자동차를 만들었 다. 노랑 거북복을 닮은 독특한 형태의 디자인의 차량은 여러 가지 테스트 과정을 거친 끝에 공기와의 저항 계수를 가장 낮출 수 있다고 한다.
▶ 생체모방 키트 사용하기
1. 40개의 동·식물의 생체모방기술 KIT를 각각 하나씩 갖는다.
2. 카드의 앞면에는 동·식물의 그림이 있고, 뒷면에는 생체모방기술을 탐색하기 위한 것 이 있다. 각각 보면서 작성해 본다.
자연의 탐색 : 동·식물의 정의, 어원, 특징 등을 조사하여 자유롭게 작성(그림이 될 수도 있음) 생체모방기술 탐색 : 기존에 발명된 기술을 조사하여 작성
생체모방기술 학습지 1. ( )학년 ( )반 ( ) 모둠 모둠원 ( , , , )
생각다지기 참고자료 프랙탈(Fractal) 이론
1975년 프랙탈 기하학을 창안한 프랑스의 수학자, 만델브로트에 의하면 자연은 일정하지 않으며 쪼개지고, 거칠고, 꼬이고 엉키면서 서로 상관하는 복잡한 구조이며 이는 무작위적 과정에 의해 생 성되는 불규칙한 자연의 본질이라고 본다. 따라서 자연의 기하학은 나누어떨어지는 정수의 개념이 아닌 소수차원으로 측정되며, 아울러 무한대적 특성을 지니고 있다. 이와 같은 자연의 불규칙한 패 턴과 복잡한 현상에 대한 연구는 자기복제 또는 자기 참고의 개념을 지닌 자기유사성구조를 의미 한다. 자기유사성은 프랙탈의 특성으로서 자율적인 축척의 반복 형태를 지닌다.
프랙탈이 전 세계적으로 그렇게 많은 관심을 받고, 수없이 많은 물리학자, 수학자들이 프랙탈에 매 달려 있는 것은 프랙탈의 화려한 형상 때문이 아니다. 지금까지의 어떤 과학도 묘사해 내지 못한 자연과 우주의 질서를 묘사해내고 있기 때문이다.
많은 자연과 우주의 개체와 현상은 일견 처음 보기에는 혼돈처럼 보여도, 속으로 캐고 들어가면 일정한 규칙 하에 자기 복제를 순환적으로 반복한다. 가까이로는 나무를 보아도 그렇고 멀리로는 우주를 보아도 그렇다.
비단 나무와 우주뿐만 아니라 하천의 흐름, 산맥의 지형, 해안선의 모습, 구름의 형상 등 우리 주 위의 많은 것들에서 끊임없는 자기 복제를 찾아볼 수 있다. 대체적으로 자연과 우주의 본질적 모 습은 자기 복제의 순환적 반복이다. 인위성을 배제시킨다면 어떠한 자연우주 현상을 놓고 보아도 어렵지 않게 순환적인 자기 복제현상이 발견된다. 생태계 또한 끊임없는 자기 복제를 반복한다. 캐 고 들어가면 어디에서나 프랙탈이 발견되는 것이다.
프랙탈 이론은 단순히 사물이 공간상에서 차지하는 비율만을 대상으로 하는 밀도와 달리, 도시공 간내부에 존재하는 사물들 간의 자기유사성(self-similarity)과 복잡함(complexity)을 양적으로 표현 이 가능한 이론이다. 형상의 부분들은 어떤 크기에도 그 형태에서 전체와 비슷하다는 것이다. 만델 브로트는 콜리플라워(꽃양배추)의 한 부분을 잘라낸 다음 그 자체가 마치 작은 콜리플라워처럼 보 인다는 것을 지적하면서 ‘자기유사성(self-similarity)’의 특성을 입증했다. 그리고 그 부분을 더 작은 조각으로 나누어도 아주 작은 콜리플라워처럼 보인다는 것을 반복해서 증명했다. 따라서 모든 부 분이 전체 식물처럼 보이는 것이다. 전체의 형태는 모든 크기에서 흡사한 것이다.
출처: 프렉탈(Fractal) 이론을 이용한 도시공간구조 해석에 관한 연구 / 이상민 / 안양대학교 대학 원, 2007.2
생각다지기 참고자료 프랙탈(Fractal) 이론
▶ 자연의 패턴을 단순화 하여 반복하면 새로운 형태를 만들 수 있다.
1. 자연물 관찰
2. 스케치하여 단순화하기 3. 반복하기
자연의 패턴을 단순화 하여 만든 형태로 우리 생활 속 디자인을 해보자!
벽지 디자인
가구 패턴디자인
스테인드 글라스(창문)
타일 디자인
어디에 생체모방디자인을 할 수 있을까?
우리 생활 속에 프랙탈을 적용해 볼 수 있는 디자인을 찾아보자 !
생체모방_게임카드
생체모방_게임카드
생체모방_게임카드
생체모방_게임카드
생체모방_게임카드
□ 진로탐색
- 생체모방기술 & 산업디자인 수업 후, 학생들이 관련된 진로 혹은 직업의 유형을 탐색해 보고, 본인의 진로를 설계해 본다.
주제 관련 분야 진로 및 직업
생체모방
자동차디자인 자동차디자이너
건축디자인 건축디자이너
공학 로봇 제작
디자인과 관련된 직업
산업 디자인 시각 디자인
공예
패턴 디자이너
스테인드글라스 예술가 벽지 디자이너
시각 디자이너 편집 디자이너 유리 공예 예술가
2013 융합인재교육(STEAM) 프로그램 개발 _ 이화여자대학교
▎연구책임 조영식 교수
▎공동연구진 김효정 특임교수 심효영 외래교수 조희승 연구원 이지윤 연구원
▎집필위원 _ 이화여자대학교부속초등학교 채제숙 수석교사
박지윤 교사 류수진 교사
▎디자인 및 일러스트
박미진, 김현민, 김예람, 강희주
“본 프로그램은 2013년도 교육부의 재원으로 한국과학창의재단의 지원을 받아 수행된 성과물임”
“This program was supported by korea Foundation for the Advancement of Science and Critivity(KOFAC)grant funded by the Korea government(MEST).”
