오태광의 바이오 산책 <22> 자연모사기술(自然模寫技術, Nature inspired technology) > News Insight

생명체는 대략 38억 년 전에 지구상에 출현하여 열악한 지구환경에 적응하면서 다양한 동식물, 미생물 등의 생물 종(種)으로 함께 살아가는 생물 바이오 생태계를 구축하였다. 오랜 기간에 걸친 생물진화 과정을 거치면서 최적화되어서 작은 에너지로 생존하는 기술, 최소단위 물질인 바이오 블록(Bio-Block) 등으로 인간이 건물을 짓듯이 다양한 종류의 크기와 바이오 기능을 만드는 고효율 시스템뿐만 아니라 자체적인 정화(淨化)를 통해서 환경의 지속가능성을 유지해 왔다. 

친환경(Eco-friend)적이고 선순환적인 지구 생태 시스템을 구축하여 오늘날과 같은 지속 가능한 지구로 유지해 왔다. 지구 생태계의 저(低)에너지, 초정밀, 고효율의 지속 가능한 지혜를 우리는 모사(模寫) 또는 모방(模倣)하여 획기적 신규 소자(素子)와 기능을 가진 시스템을 자연모사기술로 발전시켰다. 자연모사기술은 자연 현상과 생태계에서 얻어지는 생물체의 기본원리 및 기전(Mechanism)을 모사(Mimetic)하는 기술을 의미한다.

 이 가운데 주로 생물체의 기능과 형태를 모사하는 기술을 생체모방기술(Biomimatic, Biomimicry)라고 표현하고 생물체뿐만 아니라 사막의 모래 조형, 파도에 깎인 바위, 구름이 형태 등 생명이 없는 자연에서 영감(Idea)을 얻어서 삶의 질과 풍요로움을 줄 수 있는 융합기술을 더 넓은 의미로 자연모사기술이라고 정의한다. 

친환경, 사회적 책임경영을 통한 지배구조인 ESG(Environment, Social, Governance)와 같은 투명경영을 통한 지속 가능한 발전을 추구하고 있는 현재는 자연모사기술 시대이고 기술 한계를 극복하는 돌파구(Breakthrough)를 찾는 기본원리가 될 것이다. 특히 인류가 당면하고 있는 식량/에너지, 자원, 기후변화, 환경문제는 물론 현재 전 세계가 긴장하고 있는 감염병 문제를 풀 수 있는 실마리를 자연과 생체에서 얻을 수 있을 것이다. 본 원고에서는 글로벌 이슈를 극복할 수 있는 선순환 개념의 자연모사기술 중 생물의 형태나 기능을 모방한 기술을 중심으로 함께 이야기 하고자 한다. 

<자연모사기술의 종류; 구조와 재료>

 자연 모사 기술은 모사하는 자연 시스템이 다양하고 적용하는 기술이 각기 다른 자연의 원리를 사용하기에 지구상에 살아있는 생물 종만큼이나 다양하여 명확하게 분류하기가 어렵다. 자연 모사 기술은 다양한 방법으로 학자(Janine Benyus(미국), Mark Ayre(EU). J.F.Vincent(영국), A.V.Gleich(독일))들이 분류하여 발표하였다. 본 고에서는 김완두 (한국기계연구원) 등이 발표한 “자연모사 지속 가능 혁신 기술(기계와 재료(2011.12)”에 근거한 3가지 대분류인 구조·재료 (구조, 물질, 표면), 공정·시스템 (공정, 시스템), 공정·시스템 (행동, 지능, 센서)로 분류한 세부적으로는 총 8가지로 구분하여 설명하고 자 한다.

1) 구조(Structure)

 꿀벌이 만든 벌집의 6각형의 안전한 구조인데, 촘촘히 붙어 있는 6각형 구조는 안전성 높여 준다. 현재 건축하고 있는 건물 외벽의 작업을 위해서 벌집 구조로 파이프를 연결하여 안전한 구조를 만든 것을 건축 현장에서 흔히 볼 수 있다. 게코도마뱀(Nephrurus)의 발바닥의 주름이 잡힌 구조는 접착력을 높여 주고 이런 구조를 운동화에 밑바닥에 만들면 잘 미끄러지지 않는 운동화를 만들 수 있고, 접착제 없이 유리나 타일에 붙이는 흡착판을 만들 수도 있다. 

이외에 거미줄의 방사선 구조, 해바라기 씨 구조, 곤충 날개 구조, 식물의 잎 구조 등이 모사의 대상이 되고 있다. 대표적인 예로 게코도마뱀의 발바닥을 보면 아래 <그림. 1>과 같은 미세한 섬유구조와 빈틈없이 공기를 빼내어 밀착하여 게코도마뱀이 수직인 벽에 붙어서 올라갈 수 있게 된다. 

게코도마뱀의 발바닥을 모사한 테이프는 접착제를 사용하지도 않고 미세섬유 구조만을 가진 테이프는 유해 물질인 접착제 없이도 잘 붙는 게코 테이프를 개발하였다. 게코 테이프는 인체에 해가 없고 떼어내어도 접착력이 있어서 재사용할 수 있다. 같은 방식으로 인체에 잘 붙게 만든 수술 봉합 테이프, 유리 벽도 기어오를 수 있는 장갑 등이 개발되었다.

   2) 재료(Materials)

    거미줄(Spider silk), 홍합, 조개껍데기를 예로 들어 설명하는데, 그중 거미줄은 단백질을 만드는 아미노산으로 만들어져 있다. 아미노산 중 결합력이 강한 글리이신이 38.4%를 차지하고, 아주 가는 줄이면서도 강철 같은 5배의 강도와 엄청난 신축성(30% 이상 신축)을 가진다. 현재는 유전자 변형 기술로 거미줄을 만드는 아미노산을 구성하는 합성 유전자를 박테리아에 넣어서 인공 거미줄을 만들기 때문에 대량 생산도 가능하다. 

유전자 변형으로 박테리아가 만든 거미줄 단백질로 수술용 실이나 방탄조끼 등은 물론 많은 응용제품을 만들 수 있다. 재료 물질은 아니지만, 거미줄의 web 구조를 모방한 거미줄 배터리는 충전 속도를 20배 빠르게 해도 70% 이상 용량이 유지가 가능한 배터리(박호석 성균관대교수)로 개발하였다. 

 3) 표면(Surface)

    연꽃잎은 물방울이나 오염물이 잎 표면에 수많은 나노 크기의 돌기구조에 붙지 않는 특성을 가져서, 물에 젖지 않고 오염물이 붙지 않는 성질을 이용하여 자기 세정(洗淨)을 할 수 있다. 밤에도 볼 수 있는 나방의 눈은 수없이 많은 나노 구조물로 만들어져서 빛이 나노 구조물 내에 산란되어서 빛이 반사하지 않을 뿐만 아니라 반사되는 빛은 적고 대부분 내부로 흡수되는 원리로 아주 작은 빛도 이용할 수 있는 성질을 모사하여 태양 빛이 약한 비 올 때도 작동하는 태양전지를 만들 수 있다. 

상어의 미끈한 피부로 만든 마찰이 적은 수영복, 나미브사막 딱정벌레의 등껍질의 나노 구조물로 사막에 불어오는 해풍에서 수분 채취 방법 등으로 물 부족 지역에서 수분 활용 등 생물의 표면 구조와 재료를 모사하여 많이 사용하고 있다. 가장 산업적으로 많이 사용되고 있는 연꽃잎의 표면 구조는 아래 <그림 2>와 같이 표면에 아주 작은 돌기들로 덮여있어서 돌기 사이에 물이 스며들지 못하여 물방울이나 오염물이 부착되지 않는 소수성(Hydrophobic)이어서 쉽게 씻을 수 있다. 이런 기능을 모사한 로투산 페인트는 페인트 칠한 후 표면에 작은 돌기가 생겨서 페인트 칠을 한 건물에 비가 오면 스스로 자정하여 깨끗함을 유지하는 능력을 가진다. 이외에 오염되지 않는 섬유, 스스로 세차하는 자동차, 건물, 더러워지지 않는 세면대 등으로 모사하여 이용하고 있다. 

또한 2015년, 도쿄 공업대학과 시바우라공업대학 공동 연구팀은 지금까지 미세가공기술을 사용하여 제작이 어려웠던 대면적 광 메타 물질을 연꽃잎의 나노구조를 주형으로 사용하여 고효율로 대면적 ‘초박막 고효율 광 흡수 메타 물질’의 제조에 성공하여 태양에너지를 이용하는 분야, 스텔스 기능 군사용 물질 등에 큰 활용을 기대한다.

<자연 모사 기술의 종류; 공정·시스템>

1) 공정(Process)  

 에너지의 발생과 수집을 쉽게 하는 곤충의 날갯짓을 모방한 비행 기구, 새/물고기의 저항을 최소화한 유형 등이 공정에 사용되고 있다. 대표적 예로 곤충의 날갯짓 소형 비행 물체의 개발<그림 3>은 헬리콥터와 같은 회전 날개에서 발생하는 와류를 제어하여 조용한 비행을 할 수 있게 한다.

   살아있는 세포 메커니즘 중 여과, 이온전달을 하는 신장을 모사하여 인공 신장 등을 만드는 기술로 바닷물을 민물로 만들 수도 있다. 사막여우의 커다란 귀에 있는 수많은 혈관을 통해서 열을 방출하여 뜨거운 사막에서 살아갈 수 있고 귀속 긴 털도 큰 일교차를 견디는 역할을 한다. 가장 대표적인 열 교환 시스템은 <그림 4>와 같이 호주의 6m 높이의 흰개미 집을 예로 든다.

<그림 4>에 보듯이 마치 성당(Cathedrals)처럼 생겨서 성당 개미집으로 불리는데, 냉난방하지 않은데도 실내온도를 25℃를 유지하면서 쾌적하게 대도시의 인구와 비슷한 200만 마리의 개미가 살아간다. 냉난방의 원리는 <그림 4>의 중앙의 그림처럼 상층의 뜨거운 공기가 빠져나가는 힘으로 동력을 사용하지 않고도 자연적으로 지하의 차가운 공기를 위로 올려서 공기를 순환시켜지고 통풍을 원활하게 하여 실내온도를 25℃로 유지 시키고 있다. 

이런 공기 순환이 되지 않으면 한두 시간 안에 흰개미가 모두 죽을 수도 있기에 사고로 위나 아래의 공기구멍이 막히면 개미는 즉각 보수(補修)를 한다. 특히, 관심 있는 점은 지하 하층에는 지하 수맥 가까이 이어져서 순환하면서 온도 조절도 되지만 개미집 전체의 습도도 일정하게 맞추어 준다. 개미 중 일부는 먹이가 되는 곰팡이, 버섯과 같은 균류를 재배하여 식량으로 사용하는데, 버섯 농사에는 온도와 습도의 조절은 매우 중요하다. 

개미는 버섯이 오염되면 오염물을 제거하기도 하고 심지어, 버섯 종자가 잘못되면 다른 개미 왕국과 전쟁을 하여 빼앗아 오기도 한다. 인간의 버섯 농사 역사는 1,000년 정도로 추정하고, 온·습도를 맞춘 버섯 대량 생산은 역사가 길지 않다는 것을 보면 개미의 인공도시인 흰개미 집은 놀랍기만 하다. 

흰개미들은 자연 힘과 천재적인 건축술로 온습도가 조절되는 자연적 공기 순환 장치로 도시를 만들고 농사까지 짓고 있다. 개미집 건축 재료는 나무, 흙과 모래 등을 물어와 침샘에서 분비되는 타액으로 초고층 빌딩을 만드는데, 강한 도끼로 부수려고 하면 불꽃이 튈 정도로 강하다고 한다. 스페인의 천재적 건축가 가우디도 흰개미 건축술과 새 둥지에서 영감을 얻어서 건축 구조를 설계했다는 이야기도 있다. 

개미의 크기가 6mm인 점을 생각하면 흰개미 집의 높이는 지금까지 인간이 건축하지 못했던 약 420층의 초고층 빌딩의 높이와 같다고 한다. 특히, 온습도를 이용하여 농작물을 재배하는 기술은 홍콩이 2010년에 제시한 수직형 농장 빌딩(Picture of the Magazine, 2010, SIEMENS)도 흰개미 집을 모사한 개념을 사용하였고, 최근 파이롯드(Pilot)으로 만들어지고 있는 시험용 수직형 빌딩 농장도 친환경, 순환형 자연모사기술을 활용하고 있다.

3) 행동(Behavior)

  의사소통을 위한 화학 언어로 사용하는 동식물, 곤충, 미생물의 페로몬(Pheromone)은 위험에 대한 경계, 식량 운반, 성적 자극 등이 있을 때 사용한다. 성적 자극 페로몬을 이용한 해로운 곤충 유인제로 사용하여 살충제로 사용하기도 한다. 아주 작은 생물인 미생물도 호모세린(Homoserin)이란 화합물을 사용하여 집단행동을 하는데, 병원균이 자기 숫자가 적을 때는 조용히 증식(增殖)만 하다가 어느 정도 집단이 형성되면 일제히 호스트(Host)를 공격하는데 이때도 화학 언어를 사용하여 집단행동을 한다. 여왕벌이 수정할 때 페로몬을 사용하고 개미가 먹이 찾을 때나 흰개미가 집을 건축할 때나 고칠 때도 페로몬으로 명령을 전달한다. 이런 생물의 행동을 유도하는 신호전달 체계를 모사한 유용한 발명은 수없이 많다. 

4) 지능(Intelligence)

   최근 유행하고 있는 인공지능(Artificial Intelligence)도 인간의 지적 능력을 모사하여 컴퓨터로 구현한 과학기술이다. 두뇌 신경 간 전기신호를 모사한 기술인데 신경이 통할 때와 신경이 통하지 않을 때를 컴퓨터가 사용하는 언어인 2진법의 0, 1로 표시한 후, 컴퓨터가 빠르게 계산하여 결정하는 것이다. 신경전달 과정을 모사한 신경 회로망(Neural network)을 이용한 의사결정은 인간의 두뇌로는 아주 많은 시간이 걸리는 어려운 결정을 컴퓨터의 아주 빠른 계산 능력으로 짧은 시간에 할 수 있게 된다. 

유전자의 알고리즘(Algotithm)을 모사한 기술로 생체 인식이나 현재 화학 기술로는 거의 불가능한 3차 입체구조 형성 결합이나 부반응(Side reaction)이 많아서 효율성이 없는 반응도 가능하게 하였다. 유전자 알고리즘을 모사한 기술로 기존 화학반응을 저에너지, 친환경으로 효율성 있게 만들 수 있고, 지금까지 알려지지 않은 수많은 신소재와 신물질을 만들 수도 있다. 

우리나라가 계획하고 있는 인공지능 기술의 성장은 <그림 5>와 같이 생각으로 기계를 움직이는 뇌-기계 인터페이스(BMI, Brain-Machine Interface)가 2026에 실용화를 예측하고 2030년에는 비지도(非指導) 학습 AI가 등단하여 교육 자체에도 큰 변화를 예측한다. 이렇게 되기 위해서 AI 인프라, 차세대 기술경쟁력, 시대에 맞는 규제개혁, AI 스타트업 구축이 필요하다. 결국, AI 인재 양성 및 국민교육, 전체산업의 AI 활용, 디지털 정부 구축 등으로 AI를 가장 잘 활용하는 나라(인공지능 국가전력(2019))로 발전할 것을 목표로 한다. 

5) 감각(Sensors)

   인간은 시각(視覺, Light sense), 미각(味覺, Gustation), 청각(聽覺, Auditory sense), 촉각(觸覺, Tactile sense), 후각(嗅覺, Smell sense)의 오각(五覺-오감(五感))을 가지고 생활하고 있다. 현재 기술은 눈, 코, 귀, 혀, 피부의 기능을 모사하여 부분적으로는 인간이 가지고 있는 오감을 훨씬 뛰어넘는 수준의 기능을 이미 가지고 있다. 예로서 전자 혀에서 단맛 감지(感知)도 인간이 가진 혀가 느낄 수 있는 1/10,000의 농도에서도 감지할 수 있다고 한다.

실제로 전자 코나 혀는 사람보다 훨씬 민감하게 필요에 따라서는 사람이 인지할 수 없는 물질까지 인지할 수 있는 능력을 구비하고 있지만 아직은 인간과 같이 통합하여 동시에 여러 가지 감각을 인식하여 판단하고 대응하는 능력은 더 많은 연구가 필요하다. 

<맺는말>

 산업 발전은 18세기 1차 산업혁명의 증기기관에서 19~20세기 초전기에너지로 분업, 자동화하면서 생산성을 높일 수 있었고, 20세기 후반의 컴퓨터, 인터넷으로 빠른 계산과 정보교환으로 인간이 계획된 프로그램에 따라서 원하는 생산을 할 수 있었다. 21세기 초반 방대한 빅 데이터를 초연결이 가능한 정보망(Network) 구축으로 두뇌 신호전달을 모사한 인공지능은 짧은 시간에 반복된 학습으로 최적의 효율성이 있는 결과를 얻을 수 있는 능력을 구비 하였다. 

인류가 개발해온 기술을 자세히 살펴보면, 전혀 새로운 창조보다는 자연이나 생물의 근원적 원리나 형상을 모사하여 가장 적합한 해답을 찾아왔다는 것을 알 수 있다. 지구상 인간의 등장은 문헌에 따라 차이는 있지만, 유인원이 등장 한 600만~700만 년 전으로 본다면 흰개미 집의 합리적 습도, 온도 유지 방법은 1억 년 이상 살아온 개미의 지혜이고 지금과 같은 고도의 과학기술로도 아직 배워야 할 점이 많다고 생각한다. 

흰개미 집도 똑같은 형태나 크기로만 짓는 것이 아니라 장소와 환경에 따라 다른 형태의 건축을 하는 것을 개미가 할 수 있다는 사실은 아직도 알 수 없는 수수께끼이다. 어쩌면 지구상에 인류가 난제로 여기고 있는 기후변화, 감염병, 환경오염, 식량 및 에너지문제도 가까이 있는 자연의 지혜에서 해답을 찾을 수 있다고 생각한다.