자연을 모방한 신소재, 자연 모사 생체모방 기술의 예시 27개와 세특 심화 탐구주제 (통합과학, 물리, 화학, 생명과학, 지구과학 학생부)

오늘 엘피의 심화 탐구주제 스터디 주제는 자연을 모방한 신소재, 생체모방 기술의 종류와 예시 그리고 심화 탐구주제입니다. 자연을 모방한 신소재 기술은 고등학교 1학년 통합과학 시간에 다루고 그 이후로도 물리, 화학, 생명과학, 지구과학 등 다양한 영역에서 각 분야에 맞는 신소재를 다룹니다. 다양한 사례를 통해 자연을 모방한 신소재가 무엇이 있는지 탐구해보겠습니다! 

 

자연을 모방한 신소재 생체모방 기술

1. 자연을 모방한 신소재 자연 모사 생체모방 기술의 예시

자연 모사(nature inspired technology)란 생물의 구조와 기능, 자연의 모습을 본떠 만든 기술을 뜻합니다. 다른 말로는 생체모방이라고도 합니다. 생체모방(Biobibmetics) 기술은 생명을 뜻하는 Bios와 모방을 뜻하는 mimesis라는 두 그리스 단어의 합성어입니다. 자연에서 아무라 작은 마치 잡초 같은 별 볼 일 없는 생명체라도 반드시 배울 점이 있다는 관점에서 시작했습니다. 자연선택설에 의하면 자연은 수십억 년 동안 생존을 위한 진화 과정을 겪어 살아남은 생명체입니다. 이 생명체들을 모방하거나 이로부터 영감을 얻어 만든 기술이 자연을 모방한 신소재 생체모방 기술입니다. 자연선택설에 선택받은 기술을 활용한 신소재 무엇이 있을까요?

1-1. 한산: 용의 출현! 거북이와 용의 모습을 모방한 이순신 장군님의 거북선

1592년 전라좌도 수군절도사 이순신 장군님이 창제한 거북선은 엎드린 거북이와 용의 머리를 본떠 만든 자연모사 기술의 대표적인 예시입니다. 그 당시의 선박의 성능을 훨씬 뛰어넘는 기술로 생체모방 기술의 대표적인 예라 할 수 있습니다. 거북이 등을 모사하는 거북선의 딱딱한 지붕은 뾰족한 수많은 침과 함께 방어와 공격을 동시에 가능한 엄청난 위력을 보였습니다. 마치 거북이가 위험할 때 목과 손발을 등껍질 속으로 넣고 생존하듯이 거북선의 방어는 날아오는 왜군의 조총을 막고 갈고리를 통해 넘어오는 백병전을 할 수 없게 만든 기술의 종합이었습니다. 거북선의 머리는 용의 형상을 하는데 용의 입에서 대포가 발사되어 왜적을 물리쳤습니다. 또한 기동력을 여러 개의 노를 사용했는데 마치 지네와 같은 다족류 곤충의 모습을 모방했을 것이라 생각됩니다. 

 

거북선

1-2. 엉겅퀴(도꼬마리) 열매에서 우연히 발견된 아이디어 벨크로 테이프

엉겅퀴

 

벨크로 테이프의 Velcro는 velvet(비단) + crochet(갈고리)의 합성어로 일명 찍찍이입니다. 1940년대 초 조르주 드 메스트랄이란 스위스 엔지니어가 사냥 중 강아지 털에 붙은 엉겅퀴 씨앗에서 영감을 얻어 1950년대 중반 벨크로 상표 특허와 함께 제작했다고 합니다. 엉겅퀴 열매의 씨앗 갈고리 산포 구조의 기능을 모방하여 제작한 자연을 모방한 생체모방기술의 대표적인 예시입니다. 강력한 접착력은 고리 + 갈고리 구조가 서로 붙으면서 고리에 갈고리가 걸리기 때문입니다. 밸크로는 만능 접착포 일명 찍찍이로 개발 후 신발, 옷, 가방, 자동차, 군사용품, 의료기기, 우주복 등 다양한 분야에서 활용되는 대표적으로 상업화에 성공한 기술입니다.

1-3. 연잎효과를 이용한 방수천과 페인트

방수되는 연꽃잎

독일 본 대학의 식물학자 빌헬름 바르트로(V. Barthlott) 교수는 1997년 연잎 표면의 돌기 구조는 초소수성(Superhydrophobicity) 돌기로 잎 표면에 물방울이 떨어졌을 때 미세한 구조들 사이 공기층이 형성되어 물방울과 잎의 접촉 면적을 90% 이상 감소하는 극소화를 통해 표면장력을 극대화하여 방수된다는 사실을 밝혔습니다. 즉 연잎의 표면에 나 있는 미세한 돌기 때문에 물방울이 스며들지 못하고 굴러 떨어지는 방수 효과를 만들어낸다는 것입니다. 이런 연잎 표면 돌기 구조는 자가 세척 & 자기 정화 효과를 갖는 방수로 자연이 엄청난 나노 구조 기술이라 할 수 있습니다. 이 기술을 이용하여 옷감을 만든 기능성 나노 의류의 대표적인 옷감은 나노텍스사의 Nano Whisker와 스위스 쉘러사의 Nanospher기술이 있습니다. 이 기술로 만든 나노 옷감은 뛰어난 방수성과 오염을 방지한다는 점을 활용합니다. 또한 로투산 페인트가 있습니다. 이 페인트는 연잎효과를 가진 페인트로 욕실 김서림 방지 필름, 자동차 사이드 미러에 뿌리는 스프레이, 오염방지 스프레이, 자기 정화용 태양전지에 활용됩니다. 또한 고속도로 톨게이트 감시카메라 코팅용으로 연구 중이며 스마트폰 코팅 스프레이로 활용할 수 있도록 개발 중입니다.

 

1-4. 독사의 어금니를 모방한 패치형 주사기

주사기

일명 붙이는 주사기라 불리는 이 주사기는 주삿바늘에 대한 공포감을 해결하기 위해 발명되었습니다. 약 166년 전 발명된 주사기 또한 독사 어금니에서 영감을 얻어 압력으로 약물을 투입하는 장치지만 바늘을 사용해 많은 사람이 공포감을 가졌습니다. 하지만 국내 숭실대학교 연구팀과 유니스트 연구팀은 공동연구를 통해 한 번 더 발전한 패치형 주사기를 만들었습니다. 기존의 주사기와 마찬가지로 독사의 어금니에서 영감을 얻었지만 패치형 주사기는 독사의 뒤 어금니의 원리를 닮았고 기존의 주사기는 독사의 앞 어금니 원리를 닮았다고 합니다. 붙이는 주사기는 파스 형태로 붙여 기존 바늘에 공포감을 갖는 어린이나 사람들에게 효과적일 것이라 합니다.

 

1-5. 스파이더맨처럼 거미줄을 모사한 섬유 스핀 텍스 엔지니어

거미줄

영국의 스핀 텍스 엔지니어는 거미줄의 실크 구조가 강력한 생물학적 재료 중 하나임이 밝혀지면서 대중적으로 사용할 수 있는 섬유를 개발한 기술입니다. 인공적으로 실크를 합성하는 기술로 거미 자체가 만드는 방법을 자연 모사하여 만든 이 스핀텍스는 합성 석유 섬유보다 에너지 효율이 1,000배 더 높고 물이 유일한 부산물로 환경오염이 없다는 장점이 있습니다. 이 스핀텍스 엔지니어는 2021년 미국의 생체모방 연구소에서 뽑은 스타트업에서 1등을 하였습니다.

이 외에도 다양한 생체모방 기술의 예시가 있습니다.

1. 홍합 단백질 접착제, 수술 봉합용, 인공 피부
2. 전복 껍데기를 활용한 탱크의 코드
3. 해면을 본뜬 유리섬유
4. 세상에서 가장 강력한 접착제, 따개비의 풀
5. 기압변화를 예측하는 해파리의 초음파 감각 청각기관 - 재해 예보 전자기기
6. 거미 불가사리 수정체를 이용한 렌즈
7. 도마뱀붙이 발바닥을 이용한 로봇손
8. 해초 섬유를 이용한 전통 한지 개발
9. 해초류를 이용한 항박테리아 필름 개발 (수술 기구에 활용합니다.)
10. 혹등고래의 지느러미를 표방한 프로펠러
11. 불가사리의 몸통-팔 연결부위를 활용한 초고속 통신망 개발
12. 상어 비늘을 이용한 수영복, 항공기
13. 원시 어류(풀립테루스)를 모방한 방탄복
14. 식물의 광합성을 모방한 인공광합성 기술 
15. 셀룰로스를 활용한 압전 종이
16. 황칠나무 수액을 활용한 스텔스 전투기
17. 달팽이의 점액 원리를 이용한 해저 탐사 로봇
18. 게, 바닷가재의 모습을 모방한 심해 탐사용 로봇 크랩스터
19. 산천어의 모습을 모사한 KTX
20. 물총새의 부리를 닮은 고속열차 신칸센
21. 달팽이관의 원리를 이용하여 소리를 듣는 인공피부
22. 벌새 모양을 한 드론 허밍 봇

특히 이런 생체모방 기술을 활용한 탐구 주제는 과학전람회, 교육청 발명대회, 화학 프런티어, 한화 사이언스 챌린지, 삼성 휴먼 테크 등 다양한 분야에서 활용할 수 있는 탐구 주제라 생각됩니다.

 

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2. 자연을 모방한 신소재 자연 모사 생체모방 기술 탐구 주제

1. 연잎 효과를 이용한 신소재 분석과 연잎효과의 나노구조, 표면장력, 방수의 원리 분석 그리고 다양한 활용성 제언 - 통합과학, 물리, 화학 과목에서 사용하면 좋습니다.
2. 고양이 발바닥을 만지는 사람이 심리적 안정감을 느끼는 이유는? - 간호, 심리 부분을 원하는 학생들이 사용해볼 법합니다.
3. 자연이 만든 가장 안정적인 구조 벌집의 육각구조, 보로노이 삼각형, 자연이 갖는 구조적 안정성의 역학적 해석 - 수학, 건축, 물리 분야에서 사용할 수 있는 주제입니다.
4. 숯을 이용한 해수 담수화 연구 - 화학, 물리, 통합과학 등 사용해볼 수 있고 발명대회나 과학전람회 주제로도 생각해 볼 수 있습니다.

 

다음에는 또 어떤 주제를 고민해 볼까요? 기대해주세요!

전염병의 확산에 대한 세특 주제가 궁금하다면 아래 포스팅을 확인해주세요! 정보, 물리, 확통, 수학, 사회문화 등 과목에서 활용할 수 있습니다.

 

팬데믹! 전염병은 어떻게 확산되는가? 전염병 사회과학 연구 세특! 게임으로 연구하는 전염병!