수백만 년의 진화는 우리 주변의 세계를 형성했고 많은 놀라운 것들을 만들어냈습니다. 생체 모방은 우리가 자연의 특성을 관찰하고 인간의 기술과 디자인을 위해 그 특성 또는 그 일부를 복사하는 것입니다. 실제 생체 모방의 수많은 훌륭한 예가 있습니다.
생체 모방은 인간 활동의 많은 분야와 관련이 있습니다. 의학에서 연구, 산업, 경제, 건축, 도시 계획, 농업 및 관리에 이르기까지 다양합니다. 생체 모방은 무엇보다도 우리가 이러한 전문 분야에 접근하는 방법에 대한 질문이기 때문에 이 목록은 완전하지 않습니다. 따라서 모든 부문에 다소 직접적으로 적용될 수 있습니다.
생체모방의 개념은 핵심 아이디어에 기반합니다. 바로 자연은 언제나 경제성과 효율성의 원칙에 따라 작동하며 폐기물을 발생시키지 않는다는 것입니다. 라부아르의 "잃는 것도 없고, 새로 만들어지는 것도 없으며, 모든 것은 변형될 뿐이다"라는 말을 기억하시나요? 바로 그것이 생체모방의 핵심입니다. 적용 분야에 관계없이, 생체모방 철학은 지구 자원의 사용 방식을 균형 있게 유지하는 것을 목표로 하는 책임감 있고 지속 가능한 개발 이라는 글로벌 전략의 일부입니다.
생체모방이란?
Biomimicry(이름에서 알 수 있듯이 생물의 모방)는 자연 선택과 자연이 채택한 솔루션에서 영감을 얻고 원리를 인간 공학으로 변환하는 것을 목표로 합니다. 자연에서 발견되는 디자인과 아이디어를 모방하여 인간의 과제에 대한 솔루션을 만드는 방법입니다. 건물, 차량, 심지어 자재까지 모든 곳에서 사용됩니다.
접근 방식으로서의 생체모방은 우리가 자연에서 배울 수 있는 것에 대한 아름다운 여정이며, 그 과정에서 우리는 자연 세계와의 관계와 연결을 강화합니다. 이것은 모든 인간과 모든 종을 위해 보다 지속 가능하고 건강하며 공평한 세상을 만드는 데 필수적인 요소입니다. 그래서 우리는 가장 주목할만한 몇 가지 예를 모으는 것이 재미있을 것이라고 생각했습니다.
10 어린이와 학자를 위한 생체모방의 놀라운 예
생체모방은 앞서 언급한 바와 같이 디자인 개선을 위해 자연에서 영감을 받은 전략을 사용하여 영감을 얻기 위해 자연과 자연 시스템을 찾습니다. 적응과 진화를 통해 캐릭터는 수백만 년 동안 문제를 해결하는 데 시간을 보내며 놀라운 혁신으로 끝납니다. 비효율성은 혼자 지속되지 않으며 인간 엔지니어와 설계자는 종종 현대 문제에 대한 해결책을 찾기 위해 그곳을 찾습니다.
다음은 어린이와 학자를 위한 자연에서 영감을 받은 디자인의 영향을 받은 과학, 공학 및 혁신 분야의 매우 멋진 생체모방 사례입니다.
- 상어가죽 모방 수영복
- Kingfisher 새에서 영감을 얻은 초고속 열차(디즈니에 나오는 것과 유사)
- 혹등고래를 모델로 한 풍력발전기
- 딱정벌레와 자가 충전 물병
- 흡수하는 딱따구리 같은 충격
- 두족류 위장
- 흰개미에서 영감을 받은 환기 시스템
- 새에서 영감을 받은 제트기
- 버와 벨크로
- 나비 날개와 태양 에너지
1. 샤크스킨 모사 수영복
상어는 바다에서 가장 큰 포식자 중 하나입니다. 상어는 예리한 후각과 빠르게 재생되는 치아로 잘 알려져 있지만, 새로운 연구에서는 종의 피부가 가장 진화적인 틈새 자산이라고 지적할 수 있습니다.
상어가죽은 "피부 치아"로 알려진 셀 수 없이 겹치는 비늘로 덮여 있습니다. 움직일 때 이러한 피부 치아는 저압 영역을 만듭니다. 이 최첨단 소용돌이는 기본적으로 상어를 앞으로 "당기며" 항력을 줄이는 데 도움이 됩니다. 말할 필요도 없이 그러한 디자인에 대한 많은 응용 프로그램이 있습니다.
과학자들은 상어 피부의 미세한 돌기들을 본떠 수영복(현재 주요 대회에서는 착용이 금지됨)과 보트 바닥에 적용했습니다 . 상어 피부에서 영감을 받은 수영복은 2008년 하계 올림픽에서 마이클 펠프스가 주목받을 당시 언론의 큰 관심을 받았습니다.
Speedo는 2008년 올림픽을 위해 생체 모방 상어 가죽을 수영복 라인에 통합한 것으로 유명합니다. Smithsonian에 따르면 98년 올림픽 메달의 2008%는 상어가죽 수영복을 입은 수영 선수들이 차지했습니다. 그 이후로 기술은 올림픽 경기에서 금지되었습니다.
마찬가지로, 많은 수생 생물들이 몸에 따개비 같은 다른 해양 생물을 붙이고 사는 것으로 알려져 있지만, 상어는 비교적 "깨끗한" 상태를 유지합니다. 이러한 미세한 피부 돌기는 상어가 조류나 따개비 같은 미생물을 막아내는 데 도움을 줍니다. 미 해군은 이러한 피부 구조를 본떠 선박에 해양 생물이 자라는 것을 억제하는 소재인 샤클렛(Sharklet)을 개발했습니다.
2. Kingfisher 새에서 영감을 받은 총알 열차(디즈니에 나오는 것과 유사)
물총새류는 특수한 부리를 가지고 있어 최소한의 물보라를 일으키면서 사냥을 위해 물속으로 잠수할 수 있습니다. 이 새로운 노즈를 활용하여 차세대 500 시리즈 열차는 10% 더 빨라졌고, 15% 더 적은 전력을 소비했으며, 가장 중요한 것은 더 이상 "붐"이 없었습니다.
일본 엔지니어들이 고속 탄환 열차를 업그레이드하는 벅찬 작업을 수행했을 때 설계에 불행한 걸림돌이 생겼습니다. 문제는 이러한 열차를 원하는 속도까지 올리는 것이 아니라 열차 앞의 공기 이동으로 인해 발생하는 엄청난 양의 소음이었습니다. 기차가 터널에 진입할 때 차량은 종종 "터널 붐"으로 알려진 큰 충격파를 일으켰습니다.
충격파의 위력은 심지어 여러 터널에 구조적 손상을 입혔습니다. 이 붐을 최소화하기 위해 일본 엔지니어들은 물에 들어갈 때 물보라를 최소화하는 물총새 새 부리를 모방했습니다. 이 새로운 노즈 모양을 만들면서 기차는 10% 더 빨라졌고, 전기 소비는 15% 더 적었으며, 가장 중요한 것은 더 이상 "붐" 현상이 없었습니다.
이러한 유형의 혁신적인 프로세스를 인공 광합성이라고 하며 생체 공학 잎이 햇빛에서 수소 연료를 생성합니다. 이것은 태양의 전기를 사용하여 물을 분리함으로써 잠재적인 글로벌 에너지 돌파구가 될 수 있기를 희망합니다.
이러한 유형의 재생 연료 에서는 배출물이 전혀 발생하지 않습니다.
3. 혹등고래를 모델로 한 풍력 터빈
예를 들어, 혹등고래는 추진을 위해 울퉁불퉁한 덩이줄기 지느러미를 사용하는데, 이는 직관에 반하는 것처럼 보입니다. 이 고래들은 새로운 풍력 터빈 모델에 영향을 미쳤습니다.
세계에서 가장 큰 물고기로 알려진 고래는 오랫동안 바다를 헤엄쳐 왔으며 진화를 통해 초효율적인 삶의 형태로 만들어졌습니다. 그들은 수면 아래로 수백 피트 아래로 잠수하여 몇 시간 동안 거기에 머물 수 있습니다. 그들은 눈으로 볼 수 있는 것보다 작은 동물을 먹음으로써 거대한 크기를 유지하고 매우 효율적인 지느러미와 꼬리로 움직임을 강화합니다. 혹등고래가 있기 때문에 가능합니다.
결절이라고 불리는 혹등고래의 앞지느러미에 있는 능선은 물이 지느러미 위로 흐르는 방식에 영향을 미칩니다. 그것은 물에 공기 역학적 흐름을 만듭니다. 결절은 큰 크기에도 불구하고 빠른 속도로 수영할 수 있게 해줍니다.
우리의 현대적인 공기역학적 설계 중 많은 부분이 다소 기본적인 원칙에 의존합니다. 최적의 양력과 최소 항력을 얻으려면 매끈한 가장자리와 깨끗한 선이 핵심입니다. 그러나 동물계 전체에 걸쳐 많은 종들이 예외적으로 양력을 발휘할 수 있습니다.
듀크 대학교, 웨스트 체스터 대학교, 미 해군 사관학교의 과학자들은 고래 지느러미의 앞쪽 가장자리에 있는 돌출부가 효율성을 크게 높여 항력을 32% 줄이고 양력을 8% 증가시킨다는 사실을 발견했습니다. 또한 이러한 조정된 블레이드는 기존 터빈이 시속 10마일로 생성하는 것과 동일한 양의 전력을 시속 17마일로 생성하는 데 도움이 됩니다.
기업들은 이 아이디어를 풍력 터빈 블레이드, 냉각 팬, 비행기 날개 및 프로펠러에 적용하고 있습니다.
4. 딱정벌레와 자가 충전 물병
이제는 누구나 다 아는 사실입니다. 물에 대한 접근성은 지속 가능한 문명과 지구상의 생명 유지에 매우 중요합니다. 지구 곳곳에는 호수와 강처럼 풍부한 수자원이 있지만, 건조한 기후 지역에서는 제한된 강수량에 의존해야 합니다.
지구상에서 가장 혹독한 환경 중 하나에서 번성하는 딱정벌레에서 얻은 기술이 차세대 정수 기술 개발에 큰 도움이 될 수 있을 것 입니다.
나미브 사막에 서식하는 딱정벌레(Stenocara 딱정벌레)는 독특한 껍데기 디자인으로 등에 물을 모아 건조하고 가혹한 환경에서 살아남습니다. 그들은 또한 "마스터 물 수집가"로 알려져 있습니다. 그들은 바닷바람을 향해 날개를 겨누고, 등의 돌기는 물방울을 입으로 몰고 갑니다.
엔지니어들은 유사한 물 수집 및 발수 범프가 있는 물병을 만들었습니다. 이 프로젝트는 물 보존 노력을 돕고 건조한 지역의 지역 사회가 물에 더 쉽게 접근할 수 있도록 합니다.
보존 또는 지역 사회 계획 전문직의 전문가는 이 생체 모방 공학 방법을 포함하는 여러 물 보존 프로젝트에 참여할 수 있습니다. 전 세계 약 22개국에서 그물망을 사용하여 공기 중에서 물을 모으기 때문에 이러한 효율성 향상은 큰 영향을 미칠 수 있습니다.
5. 딱따구리처럼 충격 흡수
딱따구리는 뛰어난 굴착 능력으로 유명합니다. 이 생물은 부리를 사용하여 곤충을 먹이로 삼고 빠르고 강력한 쪼아먹기 때문에 머리에 부상을 입지 않고 스스로를 위한 구석을 만듭니다.
딱따구리는 이러한 구멍을 뚫기 때문에 초당 거의 1200번씩 22G의 감속을 경험합니다. 다른 관점에서 보자면 심각한 자동차 충돌은 승객에게 120G에 해당하는 충격을 가할 것입니다.
University of California, Berkeley에서 CT 스캔을 사용하여 수행한 연구에서는 딱따구리가 기계적 충격을 흡수하도록 설계된 XNUMX가지 구조를 가지고 있음을 발견했습니다. 새의 반탄성 부리, 두개골 뒤의 "해면골" 부분, 뇌척수액은 모두 이 뇌진탕이 발생하는 시간을 연장하여 진동을 억제하기 위해 함께 작동합니다.
이러한 구조를 기반으로 항공 우주 엔지니어는 종종 이러한 구조를 사용하여 오작동하기 전에 더 많은 힘을 흡수할 수 있는 운석 방지 우주선과 비행기 블랙 박스를 설계합니다. 이 자연스러운 디자인은 또한 항공기 및 항공 엔지니어가 미래에 더 높은 품질의 기술을 개발하는 데 도움이 될 수 있습니다.
6. 두족류 위장
모든 두족류와 마찬가지로 오징어는 빛을 발할 수 있고(생물 발광) 피부색을 바꿀 수 있습니다. 이 위장 능력은 포식자로부터 숨게 하는 반면, 생물 발광은 짝과 소통하거나 짝을 유인할 수 있게 합니다. 이 복잡한 행동은 특화된 피부 세포와 근육의 네트워크에 의해 생성됩니다.
휴스턴 대학의 연구원들은 주변 환경을 감지하고 단 몇 초 만에 일치시킬 수 있는 유사한 장치를 만들었습니다. 이 초기 프로토타입은 액추에이터, 광 센서 및 반사경을 활용하는 유연하고 얼빠진 그리드를 사용합니다. 조도 센서가 주변 환경의 변화를 감지하면 해당 다이오드로 신호가 전송됩니다.
이렇게 하면 해당 영역에 열이 발생하고 감온 색 그리드가 색상을 변경합니다. 이 인공 "피부"는 앞으로 군사적 및 상업적 용도로 사용될 수 있습니다.
7. 흰개미에서 영감을 받은 환기 시스템
흰개미는 파괴적인 특성 때문에 종종 나쁜 평가를 받습니다. 그러나 흰개미는 지구상에서 냉각을 위한 가장 정교한 환기 시스템을 만드는 것으로 악명이 높습니다. 가장 더운 곳에서도 이 흰개미 떼는 내부가 유난히 시원합니다. 외부 온도가 하루 종일 낮은 온도에서 높은 온도로 격렬하게 변동하는 동안 흰개미 굴 내부는 쾌적한 온도를 일정하게 유지합니다.
의도적으로 만든 복잡한 공기 주머니 네트워크를 이용하여, 이 흙더미들은 대류를 통한 자연 환기 시스템을 구축합니다. 이는 건설 및 건축 전문가들이 자연 요소와 지속 가능한 자재를 활용하여 더운 기후에서 건축 프로젝트의 안전성과 품질을 향상시키는 방법을 보여주는 사례입니다.
예를 들어, 333,000평방피트 높이의 짐바브웨 하라레에 있는 이스트 게이트 쇼핑 센터는 기존 건물보다 냉난방에 에너지를 90% 덜 사용하고, 밤에 자연적으로 찬 공기를 끌어들여 실내 온도를 낮추는 큰 굴뚝이 있습니다. 흰개미 굴과 같은 바닥 슬래브.
8. 새에서 영감을 받은 제트
새는 V자 모양을 사용하여 비행 거리를 70% 이상 늘릴 수 있습니다. 과학자들은 한 마리의 새가 날개를 펄럭일 때 무리가 친숙한 V자 형성을 할 때 새를 뒤로 들어올리는 작은 상승 기류를 생성한다는 사실을 발견했습니다.
각 새가 지나갈 때마다 에너지를 더해 모든 새가 계속 비행할 수 있도록 돕습니다. 스택을 통해 주문을 회전함으로써 그들은 노력을 퍼뜨립니다.
Stanford University의 연구원 그룹은 여객 항공사가 동일한 전술을 취함으로써 연료 절감을 실현할 수 있다고 생각합니다. Ilan Kroo 교수가 이끄는 팀은 서부 해안 공항의 제트기가 만나 동부 해안 목적지로 가는 도중 편대를 이루어 비행하는 시나리오를 상상합니다.
Kroo와 그의 연구자들은 비행기가 새처럼 앞에서 번갈아 가며 V자 모양으로 여행함으로써 비행기가 단독 비행에 비해 연료를 15% 적게 사용할 수 있다고 생각합니다.
9. 버와 벨크로
Velcro는 널리 알려진 생체 모방의 예입니다. 어렸을 때 벨크로 스트랩이 달린 신발을 신어봤을 수 있으며 은퇴 후에도 같은 종류의 신발을 신는 것을 확실히 기대할 수 있습니다.
Velcro는 1941년 스위스 엔지니어 George de Mestral이 개에서 버를 제거하고 작동 방식을 자세히 살펴보기로 결정한 후 발명했습니다.
버 바늘 끝에 있는 작은 갈고리가 오늘날 유비쿼터스인 벨크로를 만드는 데 영감을 주었습니다. 생각해보세요. 이 소재가 없었다면 사람들이 벨크로로 된 전신 수트를 입은 사람들이 가능한 한 벽에 몸을 높이 던지려고 시도하는 벨크로 점핑 스포츠를 세상이 알지 못했을 것입니다.
10. 나비 날개와 태양 에너지
"장미" 나비는 날개로 햇빛을 흡수하여 몸을 가열합니다. 연구원들은 전자현미경으로 날개를 연구하면서 몸에서 햇빛을 분산시키고 몸을 따뜻하게 유지하는 구멍을 발견했습니다.
이 메커니즘을 이용해 연구진은 나비 날개의 3D 모델과 유사한 얇은 실리콘 필름을 제작하여 태양 전지에 적용함으로써 전지의 전반적인 설계를 개선했습니다. 이 새로운 태양 전지는 빛이 부족한 환경에서도 더 많은 햇빛을 흡수할 수 있었습니다. 엔지니어들은 이 기술을 태양광 산업에 적용하여 지역 사회와 기업들이 지속 가능한 에너지 사용을 확대할 수 있도록 도울 수 있습니다.
맺음말
나는 과학자들이 인간의 질문에 답하기 위해 자연계를 더 많이 들여다볼수록 진화에 대한 심각하게 잘못된 생각이 불가능하다는 것을 점점 더 보기 시작하기를 바랍니다. 이제 자연에서 발견되는 것을 기반으로 혁신을 창출할 차례입니다! 원하는 만큼 창의력을 발휘하고 부모님의 허락을 받아