고속도로 위의 동물을 보호하라

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고속도로 위의 동물을 보호하라

- 동물 생체모방 적용 -

에코랩

2016 STEAM 아웃리치 프로그램 [초5-6] 학생용

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상대차량에게경고할목적으로 2개의랜턴을장착한것 에서부터시작되었다. 1920년이후교통량이증가하고, 차량의성능이향상되어차량의속도가빨라짐에따라전 조등 사용은보편화되었다. 전조등의본격적인사용은 1967년부터로할로겐기술의발전으로필라멘트를장착 한시스템으로실용화되었다. 최근에는 LED를자동차전 조등의광원으로사용하여고성능,밝기및디자인까지도 다양하게되었고,향후직진성이강한레이저광원을이용 한스마트전조등의개발도가능하게되었다.

그림8. 칼벤츠의 최초의 자동차 전조등

텅스텐필라멘트 전구시대

할로겐램프전조등 실용화,유럽

에틸렌이나기름을 사용하는램프를 전조등으로사용

1880년대 1910년 1912년 1962년 최근

미국,캐딜락회사 최초의근대적 전구식전조등채택

LED(발광다이오드)를 광원으로한전조등 사용

그림 9. 자동차 전조등의 역사

2. 전조등의 구조

전조등이란자동차·기차등의진행방향을밝히기위해앞쪽에장치된투광기로,자동차용은주행빔(노면과평행 으로되어멀리까지조사할수있다)용과대향빔(광축이아래쪽을향하여마주오는차에눈부심을주지않는다)용으 로구별된다.

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자동차의 눈, 전조등

1. 전조등의 역사

전조등은칼벤츠(K.F.Benz)가야간운전시마주오는

상대차량에게경고할목적으로 2개의랜턴을장착한것 에서부터시작되었다. 1920년이후교통량이증가하고, 차량의성능이향상되어차량의속도가빨라짐에따라전 조등 사용은보편화되었다. 전조등의본격적인사용은 1967년부터로할로겐기술의발전으로필라멘트를장착 한시스템으로실용화되었다. 최근에는 LED를자동차전 조등의광원으로사용하여고성능,밝기및디자인까지도 다양하게되었고,향후직진성이강한레이저광원을이용 한스마트전조등의개발도가능하게되었다.

그림8. 칼벤츠의 최초의 자동차 전조등

텅스텐필라멘트 전구시대

할로겐램프전조등 실용화,유럽

에틸렌이나기름을 사용하는램프를 전조등으로사용

1880년대 1910년 1912년 1962년 최근

미국,캐딜락회사 최초의근대적 전구식전조등채택

LED(발광다이오드)를 광원으로한전조등 사용

그림 9. 자동차 전조등의 역사

2. 전조등의 구조

전조등이란자동차·기차등의진행방향을밝히기위해앞쪽에장치된투광기로,자동차용은주행빔(노면과평행 으로되어멀리까지조사할수있다)용과대향빔(광축이아래쪽을향하여마주오는차에눈부심을주지않는다)용으 로구별된다.

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오목거울의 초점에서 설치된 전구에서 나간 빛은 모두 평행하게 진행된다.

그림 10. 전조등의 구조

전조등에사용되는투광기는금속또는유리등으로만든,포물선모양으로된반사경초점에전구를장착해서빛 을투사한다. 초점으로빛을모으는것과반대로,초점에빛,광원을놓으면포물선에반사된빛은앞으로똑바로나 가게된다. 광원을더안쪽에놓으면빛은더멀리까지퍼지게되며,광원을더바깥쪽에놓으면빛은멀리까지퍼지지 못하고바로앞쪽만비추게된다.

그림 11. 전조등의 구성과 방식

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3. 렌즈

렌즈는유리와같이투명한물질의면을깎아물체로부터오는빛을모으거나흩어지게하여상을맺게하는물체 로,볼록렌즈와오목렌즈가있다.

볼록렌즈 가운데가 두꺼운 렌즈

오목렌즈

가운데가 얇고 가장자리 쪽이 두꺼운 렌즈

그림 12. 렌즈에 따른 빛의 진행 방향

평행한빛이볼록렌즈를통과하면한점에서초점이맺게되는데,돋보기,원시용안경,현미경,망원경등에이용된 다. 오목렌즈를통해평행하게들어오는빛은,마치오목렌즈로부터떨어진한점에서렌즈를통해빛이사방으로퍼 져나가는것처럼보이는데,근시용안경,망원경등에이용된다.

Q. 빛이 볼록렌즈와 오목렌즈를 통과하면 진행 방향은 어떻게 될까?

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3. 렌즈

렌즈는유리와같이투명한물질의면을깎아물체로부터오는빛을모으거나흩어지게하여상을맺게하는물체 로,볼록렌즈와오목렌즈가있다.

볼록렌즈 가운데가 두꺼운 렌즈

오목렌즈

가운데가 얇고 가장자리 쪽이 두꺼운 렌즈

그림 12. 렌즈에 따른 빛의 진행 방향

평행한빛이볼록렌즈를통과하면한점에서초점이맺게되는데,돋보기,원시용안경,현미경,망원경등에이용된 다. 오목렌즈를통해평행하게들어오는빛은,마치오목렌즈로부터떨어진한점에서렌즈를통해빛이사방으로퍼 져나가는것처럼보이는데,근시용안경,망원경등에이용된다.

Q. 빛이 볼록렌즈와 오목렌즈를 통과하면 진행 방향은 어떻게 될까?

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동물들이 살아가는 세상, 동물의 시각과 보호색

야행성동물은사람과달리망막뒤에하나의막(휘막)이더있다. 이것은빛을망막쪽으로반사하여망막에서느낄 수있는빛의세기를증가시킨다. 그래서밤에동물에게플래시불을비추면동물의눈에서빛이나는것처럼보인다.

야행성 동물들의 생활상을 사진과 동영상으로 관찰하고 생각 적어 보기

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1. 동물마다 같은 대상이 다르게 보인다?

⋅동물마다 볼 수 있는 시야가 다르다.

⋅동작 인식이 다르다.

⋅감지할 수 있는 색과 빛이 다르다.

⋅시력이 다르다.

그림 14. 동물의 시각적 특징

사람을제외한포유류는청각과후각이발달한반면,시각은보조적역할을하는경우가많아구별할수있는색도 적다. 그것은각자의생활방식에맞게시각이진화하여사냥하는동물들의시력은좋게,땅속에사는동물들은거의 앞을보지못하도록진화를했기때문이다. 사람은삼색형색각으로세종류의색을기본으로구분하는반면,포유류 대부분은이색형색각으로두종류의기본색으로구별한다.

Q. 동물들은 빛에 대해 어떻게 반응할까?(신체적인 변화나 행동 등을 자유롭게 기술해 보자)

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1. 동물마다 같은 대상이 다르게 보인다?

⋅동물마다 볼 수 있는 시야가 다르다.

⋅동작 인식이 다르다.

⋅감지할 수 있는 색과 빛이 다르다.

⋅시력이 다르다.

그림 14. 동물의 시각적 특징

사람을제외한포유류는청각과후각이발달한반면,시각은보조적역할을하는경우가많아구별할수있는색도 적다. 그것은각자의생활방식에맞게시각이진화하여사냥하는동물들의시력은좋게,땅속에사는동물들은거의 앞을보지못하도록진화를했기때문이다. 사람은삼색형색각으로세종류의색을기본으로구분하는반면,포유류 대부분은이색형색각으로두종류의기본색으로구별한다.

Q. 동물들은 빛에 대해 어떻게 반응할까?(신체적인 변화나 행동 등을 자유롭게 기술해 보자)

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2. 육식 동물과 초식 동물은 눈의 위치가 다르다?

사자나표범같은육식동물의경우,두눈의거리가가깝고얼굴정면에있다. 반대로기린이나얼룩말같은초식 동물은두눈의거리가비교적멀리떨어져있으며,얼굴양옆에붙어있다. 또한초식동물들은수평형동공을가지고 있는데,풀을뜯어먹을때와고개를쳐들때,동공이지면과수평을유지하도록하기위해상하로 50도이상눈을회 전시킨다. 사람이눈을돌리는각도보다 10배가넘는다. 이것은항상포식자의위험으로부터도망치기위해넓은시 야를갖도록진화되었기때문이다.

그림 15. 초식 동물과 육식 동물의 눈의 위치

포식자인육식동물들은눈이가느다란수직형동공을가지고있는데,이것은가까운물체의움직임을잘포착하 고,멀리있는물체의거리를정확히측정할수있게해준다. 하지만호랑이나사자와같은대형육식동물들은,예외 적으로사람과같은둥근동공을가지고있다고한다(마틴뱅크스연구팀,사이언스어드밴스트).

Q. 초식 동물과 육식 동물의 눈의 위치를 살펴보고, 차이점을 설명해 보자.

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3. 나비는 자신을 더 커보이게 하는 장치가 있다?

눈알모양무늬나눈에잘띄는색채,무늬를갖는나비들은갑작스런동작으로이부위를노출시켜적을놀라게하 여몸을보호한다. 뱀눈나비과에속하는나비들은날개에눈알모양의무늬가있는데,이는새와같은유력한포식자 의공격에대해이부위가표적부위가되게함으로써,몸에받는상처보다훨씬가벼운피해를받게하는데그목적 이있다.

나비의 눈알 무늬, 현미경 확대 250x.

그림 16. 석물결나비와 나비의 눈알 무늬

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3. 나비는 자신을 더 커보이게 하는 장치가 있다?

눈알모양무늬나눈에잘띄는색채,무늬를갖는나비들은갑작스런동작으로이부위를노출시켜적을놀라게하 여몸을보호한다. 뱀눈나비과에속하는나비들은날개에눈알모양의무늬가있는데,이는새와같은유력한포식자 의공격에대해이부위가표적부위가되게함으로써,몸에받는상처보다훨씬가벼운피해를받게하는데그목적 이있다.

나비의 눈알 무늬, 현미경 확대 250x.

그림 16. 석물결나비와 나비의 눈알 무늬

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빛의 특별한 성질, 회절

물체의구조와빛의간섭으로색이나타나는현상이있는데,이러한색을구조색이라고한다. 다양한동물들이구 조색을가지고있다.

▶ 오팔구조의 입자배열에 따라 같은 물질이라도 여러가지 색깔을낼 수 있다.

그림 17. 오팔 구조의 입자 배열에 따른 반사

색소로인한색과구조색은어떻게다를까? 색소색은색소분자가가시광선의일부를흡수하고나머지를반사해 색을내게된다. 나뭇잎의잎이초록인이유는엽록소가녹색빛을반사하고,나머지영역의빛을흡수하기때문이다. 그러나구조색은구조에따라색이바뀌거나없어지기도한다.

공작색의 날개 에메랄드 호랑나비 오징어의 구조색 장수풍뎅이 겉날개

그림 18. 동물들의 구조색

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현미경으로 나비 프레파라트나 나비 표본 관찰하기

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Q. 몰포나비 날개의 구조를 관찰하고 구조색 알아보기(관찰 결과를 그림이나 글로 설명해

보자)

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Q. 몰포나비 날개의 구조를 관찰하고 구조색 알아보기(관찰 결과를 그림이나 글로 설명해 보자)

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자연이 주는 선물, 생체모방

생체모방(biomimetics, biomimicry)은생명을뜻하는 'bios'와,모방이나흉내를의미하는 'mimesis' 라는두개 의그리스단어에서따온용어이다. 이름에서알수있듯이,생체모방은자연에서볼수있는디자인적요소들이나생 물체의특성들의연구및모방을통해인류의과제를해결하는데그목적이있다.

<고탄성 거미줄을 이용한 인공 거미줄>

<옷이나 털에 잘 붙는 도꼬마리 열매를 모방한 벨크로테이프>

<도마뱀 발바닥의 접착 특성을 모방한 스티키봇>

<해파리의 유영 특성을 모방한 로봇 해파리>

<전방향으로 빛이 반사되는 고양이의 눈을 모방한 반사판>

<표면 마찰항력을 줄이는 상어의 피부를 모방한 수영복>

<초소수성 특성을 나타내는 연꽃잎 효과를 모방한 자기세정 페인트>

<달팽이관의 섬모다발을 모방한 청각센서>

그림 19. 다양한 생체모방 기술의 예

수십억년동안다양한생물종들의진화과정을거쳐완성된결정체인자연으로부터의영감을통해,기존의기술적 한계를극복해가고자하는시도가생체모방기술이다. 생체모방기술은기존의공학적기술보다더생체친화적이고 친환경적으로다양한해결방법을제시하고있는데,현재생활용품에서부터신소재,로봇,인공지능,새로운기능의 구조,인공장기,센서등다양한분야에서이루어지고있다.

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창의적 설계

Q1. 로드킬을 줄이기 위한 동물안전경고등 설계하기

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먼저 생각해 보기

1. 어둠속에서갑작스럽게다가오는빛에대해동물들이어떻게반응하는지생각해보자.

2. 자동차전조등의위치와역할을생각해보고,동물에게경고를보낼수있는아이디어를스케치해보자.

3. 동물들이어둠이나빛에적응하여살아가는다양한방법들을생각해 보고,동물안전경고등제작에적용

할수있는지생각해본다.

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동물안전경고등 설계 시 고려하기

1. 반사면은평면으로할것인가? 굴곡진반사면을사용할것인가?

2. 광원과렌즈사이의거리는어떻게조정할것인가?

3. 광원의크기와위치는어떻게할것인가?

4. 사용할렌즈는어떤종류를선택할것인가?

5. 제작가능한디자인인가?

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창의적 설계

Q1. 로드킬을 줄이기 위한 동물안전경고등 설계하기

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먼저 생각해 보기

1. 어둠속에서갑작스럽게다가오는빛에대해동물들이어떻게반응하는지생각해보자.

2. 자동차전조등의위치와역할을생각해보고,동물에게경고를보낼수있는아이디어를스케치해보자.

3. 동물들이어둠이나빛에적응하여살아가는다양한방법들을생각해 보고,동물안전경고등제작에적용

할수있는지생각해본다.

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동물안전경고등 설계 시 고려하기

1. 반사면은평면으로할것인가? 굴곡진반사면을사용할것인가?

2. 광원과렌즈사이의거리는어떻게조정할것인가?

3. 광원의크기와위치는어떻게할것인가?

4. 사용할렌즈는어떤종류를선택할것인가?

5. 제작가능한디자인인가?

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Q2. 로드킬을 줄이기 위한 동물안전경고등을 제작하자.

[준비물]

볼록렌즈, 오목렌즈, LED(R,G,B, 3색), 건전지, 건전지 홀더, 거울지, 회절 필름, 반사 필름, 8색 셀로판지, 폼보드(4.5cm, 4.0cm), 바퀴와 샤프트 축, 양면테이프, 유리 테이프, 절연 테이프

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감성적 체험 1

나만의 작품 설명

보완할 점

다른 친구들의 의견을 참고로 보완해야 할 사항을 적어 보자.

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감성적 체험 1

나만의 작품 설명

보완할 점

다른 친구들의 의견을 참고로 보완해야 할 사항을 적어 보자.

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감성적 체험 2

생체모방 분야의 전문가와의 만남을 통해 자신의 진로에 대해 생각해 본다.

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[별첨1] 그림 출처

그림 1. 로드킬 : 현대자동차로드킬 그림 2. 로드킬상황 : 국토교통부

그림 3. 반사체 : http://www.nextdaily.co.kr/news/article.html?id=20120822800010

그림 5. 석물결나비 : http://genebank.rda.go.kr/attachfile/pb/photo/mp/MP_ZR1EP0034_02.JPG 그림 6. 나비의날개구조 :

http://blog.daum.net/_blog/BlogTypeView.do?blogid=0q6FW&articleno=6&_bloghome_

menu=recentthumb

그림 7. 다양한로드킬원인 : 한국로드킬예방협회 그림 8. 칼벤츠의최초의자동차전조등 : 교통안전공단 그림 9. 자동차전조등의역사 : 교통안전공단

그림 10. 전조등의구조 : http://m.blog.naver.com/forfriend5/220514634339

그림 14. 동물의시각적특징 : 기욤뒤프라지음,동물은어떻게세상을볼까요?,길벗어린이, 2015.

그림 16. 석물결나비와나비의눈알무늬 :

http://lepcurious.blogspot.kr/2011/07/on-wings-of-butterflies.html#!/2011/07/on-wings-of- butterflies.html

그림 17. 오팔구조의입자배열에따른반사 : 광자유체집적소자연구단

그림 18. 동물들의구조색 :

* http://m.blog.naver.com/lszeelee/110175100830

* http://lh4.googleusercontent.com/-hrlj1EKcOOg/UoNcmM-IL8I/AAAAAAAABnE /6MVUWhL8cUs/w640-h400-p-k/14%25281%2529.jpg

그림 19. 다양한생체모방기술의예 :

http://ndl.hanyang.ac.kr/xe/?mid=Rsch_LabProcess_Biomimetic_Sensor

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