1. 개요
□ 연구목적
○ 본 연구를 착수하게 된 동기, 필요성 및 목적, 지역 특성 및 학교 여건
- 본교는 과학중점 고등학교로 학생 교육을 위하여 STEAM R&E 활동에 필요성을 느끼고 많은 관심과 노력을 기울이고 있던 중 이 과제 연구가 STEAM R&E 역량을 높일 수 있는 좋은 계기가 될 것이 라 생각하였으며, 경북대학교와 교육 협력 협약이 체결되어 있어 대학 교수진의 협조나 자문을 구하기 쉽다.
○ 연구 동기
- 인간 사회에서 모든 산업의 근간이 되는 베고, 작게 나누고, 끊는 등의 도구의 역할이 각종 생물의 치아가 수행하는 역할과 비슷하다는 것에 착안하여 각 생명체 치아의 구조를 탐구 한 후 그 특징을 파악하 여 도구의 역할에 대입시켜 최대한의 효율을 끌어내고, 치아에 숨어 있는 미적인 요소와 공학적 요소를 실생활에 접목시킴으로써 더 풍요 로운 삶을 영위하기 위함.
○ 연구 목적
- 미적인 요소와 공학적 요소를 고려하여 실질적으로 가치가 있는 도구를 제작한다.
- 도구를 제작한 이후, 도구를 실험하고 평가하는 과정을 통해 도 구의 실효성과 경제성을 따져 활용 방안을 찾는다.
□ 연구범위
○ 연구 분야 및 범위
- 치아에 대한 탐구는 여러 가지 분야의 기술이 필요하다. 첫 번째로 치아의 구조는 생물학 범주에 들어간다. 치아의 굴곡, 크기, 형태에 따른 역할의 효율성은 물리적인 문제이다. 표면적과 형태에 따라 걸리 는 힘이 다르기 때문이다. 거기에 더해서 치아를 이루는 성분에 관한
것은 화학적인 내용이다. 실생활 도구에 접목시키는 데 목적을 두고 있으므로 공학적인 지식도 필수적이다. 거기에 치아가 가지는 곡선과 모이는 모양은 외적인 미에도 영향을 준다.
○ 진행 단계에 대해 간략히 기술
- 각종 동물들의 치아의 구조, 보편적 형태, 구성 물질 등을 조사해서 식습관, 생활 특성, 용도와 연관시킨다.
- 물리 이론을 활용하여 치아 모양, 잇몸에서 나온 모양, 부위별 크기와 강도를 조사한다.
- 치아 구조를 적용하여 치아와 비슷한 역할을 하는 물품 제작, 디자인을 해본다.
- 치아 역할과 비슷한 도구를 조사한다. 이전까지 존재한 도구를 조사하 여 치아 구조, 형태와의 관련성을 알아본다.
- 치아의 장점을 접목시킨 실생활에 유용한 도구를 직접 만들어 활용성 을 검토한다.
2. 연구 수행 내용
□ 이론적 배경 및 선행 연구
○ 우리는 삶을 살면서 치아로 어떤 물질을 누르고 끊고 자르는 등의 행동을 한다. 이것은 광범위하고 기초적인 행동이다. 거의 모든 작업 의 기본이 되기 때문이다. 그런데 생명체가 삶을 살면서 그런 행동을 할 때 가장 먼저 이용하는 것이 바로‘치아’이다. 음식을 먹을 때, 뭔가 를 으깨야 할 때도 우리는 치아를 이용한다. 치아가 가장 편리하고 적합하다는 것을 우리의 경험과 본능이 알고 있다. 그렇다면 그런 치아의 장점을 자르거나 부수는 일을 하는 도구에 접목시키면 어떨 까. 예를 들어 얇고 질긴 물체를 다질 때는 굴곡이 있는 어금니가 평평한 모양의 망치보다 효율적이다. 생명체는 각자 수십만 년 동안 자신의 치아를 용도에 맞게 변화 시켰다. 우리의 조금 더 편리하고 윤택한 삶을 위해 이러한 자연의 지혜를 빌려오면 좋을 것이다.
○ 각종 동물들의 다양한 치아 구조를 모방한 기계의 제작과 활용 과 관련된 선행연구를 조사하였으나 찾을 수 없었다.
□ 연구주제의 선정
○ 우리는 대부분 ‘설치류는 평생 이가 자라기 때문에 무언가를 계속 쏠며 살아야 한다.’ 라는 사실을 알고 있다. 실제로 설치류는 이를 갈지 않으면 생명에 심각한 위협이 오기에 언제나 이를 간다. 하지만 이빨을 간다는 것은 그리 간단한 일이 아니다. 만약 설치류가 인간이나 여타 다른 동물 같은 치아 구조를 가지고 있다면 이빨을 가는 행동에 상당한 어려움을 격을 것이다. 그렇다면 설치류의 치아는 어떤 특징을 가지기에 계속 치아를 갈 수 있는 것일까? 그것이 궁금하여 처음에는 설치류 치아의 구조적 특성과 그 활용방안을 연구하고 싶었다.
여러 도서관을 뒤지고, 동물 병원에 문의해 보고, 논문을 뒤져보는 등 사전 조사를 진행하던 중 우리는 필연적으로 설치류의 치아에 국한 된 정보가 아닌 생물의 치아에 관한 폭넓은 정보 즉, 대략 적인 동물 치아의 구조와 특징, 구성요소, 역할 등에 대해 알게 되었다. 그렇게 조사를 해가는 과정에서 우리의 흥미는 차차 증가했고, 결국 모든 생물의 치아 구조에 호기심을 가지기에 이르렀다. 설치류뿐만이 아니 라 모든 동물은 자신의 삶에 따라 다양한 치아 구조를 가지고 있었다. 보면 볼수록 치아라는 주제는 활용이 무궁무진해 보였고 그 비밀도 신비로워 보였다. 고유의 곡선과 형태 또한 아름다웠다.
일이 이 정도 진행 되었을 때 학교 선생님께 조언을 부탁드렸다. 우선적으로 우리끼리는 전문가와 만남을 갖기가 어려웠으며, 계획서 작성 요령도 잘 몰랐기 때문이었다. 정말 감사하게도 선생님께서는 계획서 작성과 실험 설계에 많은 도움을 주셨으며 경북대학교의 교수 님과 만남도 주선해 주셨다. 일은 순조롭게 흘러갔다. 교수님께 치아가 구조가 비슷한 동물 군, 인간과 동물 치아의 특징, 치아의 기능, 측정해 야 할 사항, 측정 방법에 대한 조언, 저작 기능과 관련 있는 이론 등을 여쭤보고 수정 보안했다. 같이 과학실에 모여 토론을 하면서 주제와
대상을 점점 좁혀갔다. 결국 우리가 정말 하고 싶었던 것의 본질인
‘다양한 동물의 치아구조’를 기본 원리로 삼고, 그것을 실생활에 응용 하는 방법을 연구하기로 하였다.
□ 연구 방법
○ 치아에 대한 기본 지식을 얻기 위해 관련도서를 읽고, 인터넷에서도 자료를 구해 지속적인 연구에 활용하기 위해 파일 철에 정리하였다. 먼저 동물들의 치아를 분류하였으며, 표로 그 특징 및 장점과 단점을 구분하였다. 그 후 아이디어를 얻기 위해 수많은 협의를 하며 각종 발상기법을 통해 아이디어를 모으고, 모아진 아이디어를 평가하고 설계도로 그렸다. 이 설계도가 실제로 동물의 치아 형태나 기능과 연관 성이 있는지를 지도교수의 자문을 통해 확인하였다. 그 후, 간단히 제작 할 수 있는 것은 재료를 구입하여 직접 제작하고, 대부분의 제작 할 수 없는 것들은 전문 제조업체에 제작을 의뢰하였다. 제작과정에서 도 아이디어가 필요하기 때문에 제작하는 곳에 찾아가 협의를 계속하 였으며, 제작된 것들은 그 성능을 시험하여, 기존의 기계나 도구와 어떤 점에서 차이가 있는지를 실험하였다. 이 실험 결과를 분석하여 기존의 기계나 도구보다 효율성이 떨어지는 경우에는 새로운 아이디 어를 찾기도 하고 효율성을 높일 수 있는 새로운 용도를 찾았다.
□ 연구 활동 및 과정
○ 월별 연구 추진 실적
- 5월 : 치아에 대한 기본 지식을 얻기 위해 관련도서를 읽고, 인터넷 에서도 자료를 구해 파일 철에 정리하였다. 먼저 동물들의 치아 를 분류하였으며, 표로 그 특징 및 장점과 단점을 구분하였다.
- 6월 : 각종 동물들의 다양한 치아 구조를 모방한 기계의 제작과 활용에 대한 아이디어를 얻기 위해 수많은 협의를 하며 각종 발상기
법을 통해 아이디어를 모으고, 모아진 아이디어를 설계도로 그렸다 - 7월 : 자료 수집을 위해 치의학박물관, 서대문자연사박물관, 화석
박물관 등을 견학하여 사진 촬영하였다.
- 8월 : 아이디어가 일정한 기능에 편중되어, 수많은 협의를 하며 더 많은 범주의 아이디어를 모으고, 모아진 아이디어를 평가하 고, 설계도로 그렸다.
- 9월 : 간단히 제작 할 수 있는 것은 재료를 구입하여 직접 제작하 고, 대부분의 제작할 수 없는 것들은 전문 제조업체에 제작을 의뢰하 였다.
- 10월 : 제작과정에서도 아이디어가 필요하여 제작하는 곳에 찾아 가 협의를 계속하였으며, 제작된 것들은 그 성능을 시험하여, 기존의 기계나 도구와 어떤 점에서 차이가 있는지를 실험하였다. 이 실험 결과를 분석하여 새로운 아이디어를 찾기도 하고 효율성을 높일 수 있는 새로운 용도를 찾았다.
- 11월 : 연구 결과 보완 실험 및 연구 결과 분석으로 찾아낸 새로운 도구의 제작, 평가와 논문 작성
○ 전문가 활용 : 계획 단계에서 경북대학교 치의학과 교수님에게 구조 가 비슷한 동물 군, 인간과 동물 치아의 특징, 치아의 기능, 측정해야 할 사항, 측정 방법에 대한 조언, 저작 기능과 관련 있는 이론 등에 대해 자문을 구하고 연구 계획 수립에 도움을 받았다. 그 후 연구를 진행하면서 치아의 역할 구분(저작 기능, 발음 기능, 심미적 기능), 각종 동물 치아의 기본적 특성, 참고도서 추천(치아형태학, 치아형태 조각 실제와 이론, 바이오 미메틱스, 도구와 기계의 원리 등), 치아의 교합 방식에 대한 설명, 동물 치아의 특성, 동물의 치아형태와 턱뼈운 동, 치의학 박물관 등 정보를 얻을 수 있는 장소, 각종 치아의 측정법, 연구방법과 보고서 작성방법에 대한 조언 등의 자문을 받았다.
3. 연구 결과 및 시사점
□ 연구 결과
○ 연구 과정
- 아이디어 회의 : 기본적인 치아의 구조와, 척추동물 치아 분류 방 법에 대해 숙지한 다음, 본격적으로 도구제작을 위한 아이디어 회 의를 시작하였다. 우선 공학적 지식과 물리학적 지식을 선생님의 설명과 개인 학습을 통해 인지한 다음, 브레인스토밍 등 여러 기법 을 사용해 치아의 특징들을 도구와 연결시켜 보았다. 또한 치아뿐 만이 아니라 연체동물의 치설, 조류의 부리, 파충류 및 양서류의 각화된 부리 등 치아와 비슷한 역할을 수행하는 기관도 치아의 큰 범주 안에 포함시켜 생각하였다.
- 도구의 설계 및 제작 : 아이디어 회의 단계에선 그냥 단순히 나열 한 생각들을 다음 기준에 따라 선별 하였다. 여러 동물의 치아 구 조를 접목 시킨 아이디어인가?, 물리적, 공학적으로 분석했을 때, 일정 수준 이상의 효율성이 예상되는가?, 실제로 제작이 가능한 아이디어인가? 그 결과 총 18개의 아이디어를 선별하였고, 선별된 아이디어를 바탕으로 설계도를 제작하였다.
○ 설계도 제작 아이디어(27개 목록)
- 상악과 하악에 위치한 구치들의 교두가 서로 엇갈리는 모양으로 교합면을 형성한다는 점에서 착안한 ‘실린더 자물쇠’
- 세모꼴의 윤곽을 가진 전치의 교합선이 치아의 마모와, 포개진 상 태에서 차지하는 공간을 최소한으로 하는 교합선을 가진다는 점에 서 착안한 ‘손톱깍이’
- 거북이의 각화된 입술이 물체를 베어 먹기에 적합하다는 점에서 착안한 ‘감자 싹 도려내기’
- 펠리컨의 부리가 각진 모양으로 유체를 뜰 때 저항을 최소화 한 다는 점과 아래 주머니가 신축성을 가진다는 점에서 착안한 ‘국자’
- 섬유질이 많이 포함된 식물을 주식으로 하는 초식동물의 턱뼈운 동이 상하 이동보다는 좌우쪽 이동을 주로 함에서 착안한 ‘마늘 으
깨기’
- 가변형 치아를 가진 척추동물의 치아 부착시 섬유성 결합조직(치 주 인대)를 사용하여 충격을 흡수한다는 점에서 착안한 ‘망치’
- 거의 모든 육식동물의 견치가(특히 뱀 종류) 구부러진 모양으로 박히기는 쉽지만 잘 빠지지 않는다는 점에서 착안한 ‘피자 스페 치’
- 빗모양 치아 상어의 이빨이 톱니모양으로 당기는 상황에서 물체 를 자르기 적합하다는 점에서 착안한 ‘빵 전용 칼’
- 오리 부리의 양 측면이 굴곡진 모양으로 되어 있어, 물속에서 수 초와 작은 수생곤충을 잡아먹기고 물을 배출하기에 알맞다는 점 에서 착안한 ‘국수집게’
- 타이거 상어의 치아가 독특한 갈고리 형태로 딱딱한 껍질을 가진 생물을 발라먹기 쉽다는 점에서 착안한 ‘조개껍질 벌리개’
- 연체동물의 치설이 방향성을 가진 돌기모양으로 작용하는 힘의 방향에 따라 마찰력이 다르게 나타난다는 점에서 착안한 ‘스키 플 레이트’, ‘장갑’, ‘옷걸이’.
- 구치가 음식을 씹을 때 각 교두가 다른 방향에서 힘을 가하여 음 식의 미끄러짐을 방지한다는 점에서 착안한 ‘포크’
- 칠성장어의 치아 구조가 하나의 구멍을 중심으로 원을 이루며 이 빨이 배열되어 있어 입에 닿은 물체에서 잘 떨어지지 않는다는 점 에서 착안한 ‘피자 고정기’
- 흰수염 고래 등 수염고래의 수염이 바닷물에서 작은 플랑크톤을 거른다는 점에서 착안한 ‘수염필터’.
- 바라쿠라의 하악이 먹이를 향해 입을 벌릴 때 앞으로 늘어난다는 점에서 착안한 ‘채집망’
- 감펭의 구강구조가 먹이를 물 때 튀어나와 무는 순간과 동시에 먹이를 끌어당긴다는 점에서 착안한 ‘집게’
위에서 제안된 아이디어들에 대하여 효율성, 제작 가능성 등을 분석하는 과정을 통해 각 아이디어들의 문제점들을 발견해 내었
고, 그러한 문제점들을 보안하여 제 2안과 3안의 설계도를 제작 하였다.
새로운 아이디어는 다음과 같다.
- 거북이의 각화된 구강 구조를 본 딴 기존의 도구가 물리학적으로 힘의 전달이 효율적이지 못하다는 선생님의 조언에 따라 거북이 의 구강 구조의 상악 부분만 형상화한 제 2안
- 거북이의 구강 구조와는 별개로 살점을 도려내는 사냥방식을 가 진 쿠키커터상어의 이빨 형태를 모방한 제 3안.
- 초식동물의 턱뼈운동을 본 따 만든 기존의 도구가 스프링 사용으 로 인해 실효성에 문제를 보여 스프링을 탄성을 가진 고무로 대체 한 제 2안.
- 뱀의 치아 형태를 본 딴 피자 스페치가 피자를 뜰 때는 편리하지 만 접시에 내려놓는 과정에서 다시 스페치 갈고리에 걸린다는 문 제점이 있어 갈고리를 측면에 배치한 제 2안.
- 역시나 같은 문제점을 해결하기 위해 갈고리를 집게 형태로 숨길 수 있도록 고안한 제 3안.
- 연체동물의 치설을 본 따 제작한 옷걸이가 특정 옷감을 손상시킬 수 있다는 점을 보완하기 위해 탈부착이 가능한 제 2안.
- 치아의 교두를 본 딴 네 개의 다리를 가진 포크가 세 개의 다리만 으로도 한 평면을 이룰 수 있 고, 더 안정적이라는 점을 고려하여 세 개의 다리를 가진 제 2안.
- 칠성장어의 구강구조를 본 딴 도구가 만드는데 자원의 낭비가 심 하고 실효성이 떨어진다는 점에서 고안된 재활용이 가능한 제 2 안.
- 빗모양 치아 상어의 치아를 본 딴 빵 전용 칼이 이미 비슷한 도구 가 시중에 있고, 동형 치아를 가진 어류는 대부분 톱니모양의 치
아를 가진다는 점에서 착안한 톱니모양 날을 가진 가위 형인 제 2 안
이렇게 제작된 27개(치설 3종 포함)의 설계도를 바탕으로 착안 점과 도구 설명이 포함된 표를 제작하였다. 이 표를 이용하여 제 작자에게 도구 제작을 의뢰하였고, 제작자의 의견을 반영하여 실 제 제작이 가능하고, 실용적인 도구 10종류 23개를 제작하였다.
○ 실험 결과
- 펠리컨 부리를 본 딴 국자
․착안점 : 사진과 같이 펠리컨의 부리는 필요에 따라 커다란 부리 를 열고 닫아 부피를 조절 할 수 있다는 특징이 있다. 아래쪽 부 리에 달린 주머니는 잘 늘어날 수 있는 재질로 구성되어 있고, 평소에는 눈에 띄지 않게 수축해 두다가, 새우나 작은 물고기 등 의 먹이를 낚을 때는 크게 부풀려 그물처럼 이용한다. 또한 아래 부리의 테두리 모양이 삼각형을 이루어 물속에 부리를 입수 시킬 때 물에 의한 저항을 최대한 줄일 수 있다.
처음에 구상한 내용은 이 두 가지 특징을 모두 적용시킨 도구 였지만, 제작자와의 의견 조율 과정에서 펠리컨의 아래 부리의 재질처럼 잘 늘어나면서 국자의 역할을 수행하기 위한 내열성과 견고함을 가진 재질은 우리가 구하기 힘들며 또 도구에 적용하기 힘들다는 문제점이 생겼다. 어쩔 수 없이 각진 부리 모양만을 도 구에 접목 시켰고, 끝부분이 90°로 각을 이룬 국자는 냄비의 가 장자리에 있는 음식물을 건지기 적합하다고 생각되었다.
․ 결론 : 펠리컨 부리 모방 국자가 기존 국자보다 냄비 모서리 에 있는 음식물을 뜨는데 편리하다.
- 연체동물의 치설을 본 딴 장갑, 옷걸이
․착안점 : 사진과 같이 연체동물의 치설은 이매패류를 제외한 연체동물의 입에 있는 큐티클질의 기저막에 다수의 소치가 무 수하게 가로배열을 하는 줄모양의 리본으로, 연체동물은 이를 이용하여 먹이를 긁어 잡는 역할을 한다. 그리고 치설은 마찰 의 방향성을 가지고 있어서 한쪽 방향으로는 잘 미끄러지는 반면에 반대방향으로는 잘 미끄러지지 않는다고 한다. 이러한 치설의 특징에서 착안하여 마찰의 방향성이 요구되는 도구인 장갑과 옷걸이에 적용해 보게 되었다.
․ 결론 : 치설의 형태를 장갑에 적용한 결과 치설을 적용한 형 태가 그렇지 않은 것보다 더 큰 마찰력이 작용했다. 송곳니 형 치설 옷걸이와 숟가락 형 치설 옷걸이가 기존 옷걸이보다 옷을 지탱하는 능력이 우수했다. 옷감에 따라 효율적인 치설의 형태가 달랐고, 송곳니 형 치설 옷걸이는 뾰족한 부분이 올에 걸려 옷감에 손상을 줄 수도 있었다.
- 사람의 어금니 형태를 본 딴 포크
․착안점 : 포크는 음식을 찍어 먹기 쉽게 하기 위해 만들어진 도 구인데 기존의 포크로 식사를 하다 보면 콩과 같은 둥근 형태 의 음식은 집기 힘들다는 불편함이 있었다. 그래서 이러한 불편
함을 해소하기 위해 고민하던 중 치아형태학 책에서 아래턱 둘 째 큰 어금니의 형태와 역할에 대한 설명을 보고 그 형태를 포 크에 적용 해보게 되었다. 형태학적으로 아래턱 둘째 큰 어금니 의 치아머리는 크기가 비슷한 두 개의 볼 쪽과 두 개의 혀 쪽 교두, 즉 네 개의 잘 발달된 교두를 가지고 있다. 이 네 개의 교두를 포크에 적용시킨다면 물체를 집기 쉽게 만들 수 있을 것이라고 생각했다. 그래서 일자로 배열되어 있는 기존 포크의 끝 부분을 사각형 모양으로 모이는 형태로 만들어 음식에 닿는 포크의 끝부분에 각각 같은 힘이 작용될 수 있도록 하였다.
․ 결론 : 작고 둥근 음식을 집기엔 삼각포크가 가장 유리하고, 크 고 둥근 음식을 집는 것은 게살포크, 삼각포크, 사각포크가 비슷 한 효율성을 보인다(1초 이내의 차이).
- 거북이의 각화된 입술을 모방한 감자 싹 도려내기
․착안점 : 다양한 동물들의 치아구조를 모색하던 중 거북목에 속 한 동물의 주둥이는 각질로 덮여 있으며, 앞쪽 끝은 날카롭고 뒤쪽은 뭉툭한 모양이란 사실을 알게 되었다. 이 형태를 고찰하 다 보니 무언가를 파내어 먹기 적합한 형태란 것을 알았고, 거 북이가 음식을 먹는 영상을 보고 주둥이의 형태가 어떤 방향으 로 작용하는지 알게 되었다. 이에 착안하여 거북목에 속한 동물 들의 주둥이 형태를 본 따 감자 싹, 과일의 상한 부분, 조개 살 등과 같은 쓸모없는 부분을 제거하거나 필요한 부분만 골라내 는 등의 특정 부위만 파내야 하는 작업에 응용해 보았다.
그런데 거북이의 주둥이를 이용한 감자 싹 도려내기를 개발
하던 중 개발된 도구의 문제점들을 발견했다. 1안의 발명품에서 는 도구가 집게 형태로 되어 있어 도구에 가해주는 힘이 온전 하게 감자 싹에 전달되지가 않고 절단된 부위 또한 깔끔하지 않 다는 문제점이 있었다. 이러한 문제점들을 해결하기 위해 해결 방안을 모색하던 중 쿠키 커터 상어에 대해서 알게 되었다. 쿠 키커터 상어가 가진 이빨의 형태를 감자 싹 도려내기에 적용하 고 쿠키커터 상어가 사냥을 하는 방식을 모방하여 도구를 제작 한다면 감자 싹을 도려내는데 적합할 것이라고 생각되었다.
․결론 : 거북이와 쿠키커터상어를 모방한 도구가 기존의 도구보 다 현저하게 뛰어난 성능을 보였다. 하지만 구멍의 크기를 조절 하기가 힘들고, 쿠키커터상어를 모방한 도구의 경우에는 마무리 가 깔끔하지 못하다는 단점이 있었다.
- 뱀 치아를 모방한 피자 스페치
․착안점 : 평소 피자를 먹을 때 피자 스페치를 사용하여 피자를 뜨곤 한다. 그런데 스페치의 표면은 매끄러워서 스페치 위의 피자 가 잘 미끄러진다는 문제점을 발견하고 어떻게 개선 할 수 있을 지 고민하게 되었다. 다양한 치아 구조를 모색하던 중 뱀 이빨은 악골의 가장자리에 유착된 부분에 가늘고 길며 날카롭게 뒤쪽으 로 구부려진 형태라는 것을 알게 되었다. 이 구부러진 형태의 이 빨 덕분에 사냥감을 쉽게 놓치지 않을 수 있다는 점에서 착안하 여 피자 스페치에 뱀 이빨의 형태를 적용시킨다면 피자를 미끄러 지지 않고 잘 뜰 수 있을 것이라고 생각했다. 기존의 아이디어를
검증하는 과정에서 제 1안의 피자 스페치가 피자를 다시 접시에 내려놓는데 문제가 있다는 점을 알게 되었다. 그래서 갈고리가 측 면에 달린 제 2안과 갈고리를 숨길 수 있는 제 3안을 고안하였다.
․결론 : 측면으로 뱀 이빨을 모방한 갈고리가 나 있는 스페치의 효율이 가장 좋았으며, 갈고리를 숨길 수 있는 스페치는 갈고리 의 크기를 줄이는 등의 수리가 필요해 보였다.
- 치주인대를 모방한 망치
․착안점 : 두개골 모형이나 치아 사진 같은 자료에선 치아가 마치 치조골에 바로 붙어 있는 것처럼 보인다. 하지만 아래의 그림과 같이 치아는 치조골에 붙어있는 것이 아니라 치주인대에 의해 치 조골에 매달려 있는 것이다. 치주인대는 치조골과 치아 사이의 백 악질에 있는 얇은 막인데 치아와 주변의 뼈를 연결하여 치아를 지지해 주는 역할을 한다. 좀 더 역할을 세부적으로 보자면, 치아 인대는 치아에 가해지는 외부 충격을 흡수하고, 씹는 힘을 잇몸 뼈에 전달하며 음식물을 씹을 때 모든 치아가 전체적으로 한 방 향으로 조금씩 움직이게 하여 서로를 밀착시키도록 도와주는 기 계적 기능을 한다. 그 말고도 혈액을 통해 영양을 공급하는 등 의 영양과 감각기능, 생리적인 치아 이동을 발생시키고 치주조식 이 교합압에 적응 되도록 하는 형성 기능 등 다양한 역할을 하지 만, 우리는 이것들 중 기계적 기능에 주목하였다. 기계적 기능을 쉽게 말하자면 충격을 흡수하는 것이다. 동물의 종류에 따라 치아 인대 부착 형태가 다르긴 하지만 기본적으로 치아가 어느 정도 움직일 수 있게 하여 순간적인 충격을 분산시킨다는 것에 충실
한다. 손으로 치아를 누르거나 힘을 주면 조금씩 움직이는 것을 느낄 수 있는데 이것이 바로 치주인대가 힘을 분산하는 방법이다. 순간적인 충격을 흡수해야 하는 도구에는 여러 종류가 있지만 그 중에서도 망치가 가장 보편적인 도구 일 것이다. 망치가 못을 때 릴 때 순간적인 충격력은 상당히 크다. 그리고 그 충격이 누적되 면 망치와 망치 자루의 연결부위에 손상을 주게 되고 이 손상은 곧 망치의 파손으로 이어진다. 이러한 문제점을 극복하고자 우리 는 망치 연결부위에 치주인대의 형태를 대입하기로 했다. 치아가 순간적인 충격을 조금씩 움직이며 분산 하는 것처럼 망치의 연결 부위에 이와 비슷한 철심을 넣으면 비슷한 효과를 거둘 수 있다. 다만 그 정도가 너무 심하면 망치가 못을 때리는 그 힘 자체가 줄어 들 수 있으니 조절해야 한다. 조금 부수적이긴 하지만 약간 의 힘도 얻을 수 있다. 우리가 골프를 칠 때 손목을 꺽은 상태로 최대한 내리다가 공을 치는 순간에 손목을 비트는 것이 더 큰 힘 낼 수 있는 것처럼, 망치를 휘두를 때 망치 머리가 관성에 의해 약간의 탄성위치에너지를 가지고 그 에너지가 못을 치는 순간 발 현되게 된다. 전체적으로 보자면 매우 작은 부분이지만 이러한 효 과도 노릴 수 있다.
․ 결론 : 치주인대를 모방한 망치들은 사용자에게 전달되는 충격
을 완화하는데 효과를 보였지만 물체에 가해지는 충격 또한 감 소하게 되었다.
※ 기존의 도구보다 효율성이 떨어졌던 도구들 - 동형치아 어류 치아 모방 가위
․ 착안점 : 초기에는 톱날모양을 가진 빗모양치아 상어의 이빨 을 칼에 적용 시키려 했지만, 이미 그런 형태의 칼이 시중에 존재하고 있으며, 대부분의 동형치아를 가진 동물은 톱니모양 의 치아를 가진다는 점을 고려하여 톱니모양 이를 가진 가위 를 고안하였다.
․실험 결과 : 생고기, 전지, 골판지, 깻잎, 데친 시금치, 생 시금치 를 가지고 실험한 결과, 작고 세밀한 톱니 한쪽, 양쪽, 크고 날 카로운 톱니 한쪽 양쪽 어떤 것도 기존 가위보다 우수한 성능을 보이지 못했다.
․실패 이유 : 우선 더 많은 재료를 가지고 실험 하지 못한 이유 도 있겠지만, 기본적으로 제작된 가위가 이가 잘 맞지 않았다.
조금만 힘을 줘도 가위가 엇갈려 재료를 으깨어 버렸다.
- 타이거 상어 치아를 모방한 조개 벌리개
․착안점 : 타이거 상어의 치아가 가진 독특한 모양이 조개 등 딱 딱한 껍질을 가진 생물의 껍데기를 벌리는 게 유용한 것이라
생각했다.
․실험결과 : 대합을 가지고 실험을 해본 결과 생각보다 조개껍데 기가 단단하여 쉘 오프너로 조개의 껍데기를 깨지 못하였다. 다른 방법으로 지레대의 원리를 이용하여 조개 입 부분에 쉘 오프너를 넣고 벌리려고 하였지만 그것 또한 실패하였다.
․실패이유 : 우선 물리학적으로 힘이 잘 전달되지 않는 구조였 고, 조개껍질의 경도가 생각보다 많이 단단하였다.
○ 연구 결론
- 각종 동물들의 치아구조를 모방하여 27개의 설계도를 그렸으며, 실제 제작이 가능하고, 실용적인 도구 10종류 23개를 제작하였 다.
- 거북이의 각화된 부리와 쿠키커터 상어의 치아를 모방한 감자 싹 도려내기는 기존의 투박한 모양의 감자 싹 도려내기보다 감자 싹 을 도려내는 효율이 월등히 좋았으며, 그 말고도 과일의 썩은 부 위 제거, 어패류의 관자를 껍질에서 떼는 작업에도 유용할 것으 로 기대 된다.
- 뱀 치아를 모방한 피자 스페치는 기존의 스페치가 가진 피자를 뜨기 힘들다는 문제를 해결하였으며, 파전이나 케이크 등을 뜨는 작업에도 응용 할 수 있을 것으로 기대된다.
- 치주인대의 충격흡수 방법을 모방한 망치는 약간의 힘의 손실이 생겼지만 손목에 가해지는 충격 또한 줄일 수 있었다. 더 많은 망
치질이 필요했지만 손목에 가해지는 충격이 줄어들었으므로, 망 질 시 손목을 더 보호 할 수 있었다.
- 펠리컨의 부리를 모방한 국자의 경우 기존의 국자가 냄비 가장자 리에 고인 음식을 뜨기 힘들다는 문제를 해결하였고, 휴대와 보 관이 간편한 접히는 국자의 개발도 가능할 것으로 기대된다. - 치설이 가지는 마찰력의 방향성을 응용한 옷걸이는 옷걸이에서
양 소매 부분이 흘러내려 소매가 늘어나는 문제점을 해결하였으 며 그 모양을 응용하여 수건걸이, 목도리용 옷걸이 등도 개발이 가능할 것으로 예상된다.
- 치설이 가지는 마찰력의 방향성을 응용한 장갑은 기존 장갑이 장 갑면의 재질을 바꾸는 것에 반해 형태를 바꾼다는 새로운 방향을 제시 하였으며, 효율 또한 우수했다. 기존의 마찰력을 증가시키 는 방법에 형태 변화도 접목시킨다면 더욱 효율성이 증가할 것으 로 보인다.
□ 시사점
○ 이 연구를 통해 인간 치아의 기본 구조와, 다양한 동물의 치아(또는 그 비슷한 역할의 하는 기관)에 대한 지식과 도구 제작과 구상에 응용되는 기본적인 공학적, 물리학적 지식을 함양하였다. 각종 동물 들의 다양한 치아구조를 학습하여 얻은 아이디어를 설계도를 그려 도구의 형태로 구체화 시켰다. 이 과정을 통해 거북의 부리, 척추동 물의 치주인대 등 다양한 부위가 가지는 특징과 그 특징으로 인한 장점을 정리하였으며 그 점을 실생활 문제를 해결하는데 적용하였 다.
○ 제작된 도구를 기존 도구와 비교 실험하여 더 효율적인 도구를 판별하였으며, 실험과정에서 나타난 제작 도구의 문제점을 정리 하여 추후 보완할 수 있도록 했다. 또한 실제 물품 제작 과정에서 학자와 제작자 사이의 관계를 알게 되었으며 아이디어를 작품으
로 실제화 하는 과정에서 조율되는 의견 차이에 대해 알게 되었 다. 연구과정에서 여타 기존 도구와 비교했을 때 효율성이 떨어 졌던 도구들도 실패 원인을 분석하고, 더 많은 실험과 기술적 문 제를 해결하면 새로운 도구의 개발도 가능 할 것으로 예상된다.
4. 홍보 및 사후 활용
□ 우선 교내 그룹연구논문집에 수록하여 학생들에게 모범적인 STEAM R&E의 교육용 자료로 활용할 것입니다. 그리고 지금까지 만든 작품들과 는 다른 범주에 속하는 도구나 기계에도 적용 할 수 있는 아이디어를 계속 탐색 중에 있으며, 제작된 작품들도 효율성을 높일 수 있는 형태로 2013년에도 후배들에게 심화된 과제를 주어 수정 보완 할 것입니다.
또한 이 연구를 통해 만들어진 발명품은 2013년도 발명품대회에 출품하 여 본 연구 결과물들이 널리 알려지고 활용될 수 있도록 노력할 것입니 다.
본 연구에서는 각종 동물들의 치아의 구조를 연구 대상으로 하여 각 생물들의 장단점과 특징을 알고, 더 나아가 그 유용성을 이용하는 방법 을 사용하였지만 치아뿐만 아니라 우리가 연구할 대상은 너무나 많다는 것을 알게 되었습니다. 앞으로도 계속하여 생체 모방 기술의 유용성과 종 다양성의 경제성을 활용한 연구를 계속할 것입니다.
5. 참고문헌
□ 데이비드 맥컬레이, 「도구와기계의 원리 1,2」, 진선출판사, 1993
□ 조엘르봄, 클레망르봄 ,「도구와기계 250백과」, 미세기출판사, 2012
□ 리처드 워커,「몸」, 해나무 출판사, 2007
□ 이영옥외 17명,「치아형태 조각 실제와 이론」, 신광출판사, 2010
□ 김민석외 15명, 「치아형태학」, 지성 출판사, 1999
□ 이태원, 박성준 ,「낮은 시선 느린 발걸음 거북」, 씨밀레북스, 2011
□ 수잔 바아클로우 「아주 놀라운 이야기 바다」, 부즈펌출판사, 2011
□치설 관련 사이트 :
http://blog.naver.com/kyuhwan21?Redirect=Log&logNo=80130832917 네이버 블로그 김규환의 작지만 큰 세상
http://terms.naver.com/entry.nhn?cid=200000000&docId=1148092&mobile&categoryId=200000475 http://ask.nate.com/qna/view.html?n=5533241
http://cafe500.daum.net/_c21_/bbs_search_read?grpid=o52p&fldid=5FEp&contentval=0001A zzzzzzzzzzzzzzzzzzzzz&nenc=&fenc=&q=&nil_profile=cafetop&nil_menu=sch_updw
□뱀스페치 관련 사이트 :
http://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B1%80
http://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=urwings&logNo=30143981338 http://bakerykorea.com/_ver02/_cart_iw2000/?doc=cart/item.php&it_id=1292851229
□거북 관련 사이트 :
http://www.mgoon.com/view.htm?id=1582220
http://www.familytravelmagazine.com/2012/08/family-fun-at-the-cayman-turtle-farm/
http://ko.wikipedia.org/wiki/%EA%B1%B0%EB%B6%81
□ 포크 관련 사이트 :
http://www.flatware.co.kr/goods/goods_view.php?goodsNo=1000000049&category
□ 이빨 관련 사이트 :
http://cafe.naver.com/dognme/4727 네이버 지식 백과 – 치주질환
두산 백과 – 치주질환, 시멘트질
미르치과병원 http://mirdental.tistory.com
□ 오리 부리 관련 사이트 :
http://blog.naver.com/ssibbarri?Redirect=Log&logNo=120163524855
□ 칠성장어 관련 사이트 :
http://blog.daum.net/audtn2555/6569897
□ 치주인대망치 관련 사이트 : http://dokhak.maumgolf.com/
