자연 모사 기술 (Nature Inspired Technology)의 정의와 분류

1. 자연 모사 기술 (Nature Inspired Technology)의 정의

 자연 모사 기술(Nature Inspired Technology)은 자연에 존재하는 생물들을 모사 또는 모방하여 인간의 삶을 편리하게 할 수 있는 기술을 연구하는 분야입니다. 더 자세히 말하자면 자연을 모방한 인공 메커니즘에 의한 제품 생산을 위해 생물학적으로 생산된 물질이나 재료 또는 생물학적 메커니즘과 프로세스의 형태, 구조, 기능을 연구하는 학문입니다. 

 자연 모사 기술을 언급할 때 자주 사용하는 용어는 바이오미메틱스(Biomimetics)가 있습니다. 이 단어의 어원은 바이오스(Bios), 그리스어로 생명이라는 단어와 미메시스(Mimesis), 그리스어로 복제라는 뜻을 가진 단어를 합성한 단어입니다. 미국의 오토 슈미츠에 의해 처음 탄생하였고, 주 개념은 자연 모사 기술과 크게 다르지 않은 자연을 모방하여 공학적, 화학적 과정을 통한 생물학적으로 생산된 물질 또는 메커니즘을 연구하는 학문입니다. 이 밖에도 자연모사 기술의 유사개념은 여러 가지가 있습니다.

 바이오닉스(Bionics)는 1960년에 처음 생겨난 말로 기술에 대해 초점을 맞추기 보단 데이터적인 문제를 해결하기 위해 탄생을 하였고, 바이오노시스(Biognosis or Biognosys)는 인간 또는 동물 등의 질병을 지료하는 의약품 등을 생산하는 제약, 바이오 기업에서 사용하는 단어로 그 의미는 자연 모사 기술과 유사한 개념을 가지고 있습니다. 마지막으로 바이오니칼 크리에이티비티 엔지니어링(Bionical Creativity Engineering)은 기술 개발을 위한 학문이라기 보다는 논문 등 학술 분야에 이용하기 위한 연구개발 활동을 의미하는 단어로 사용을 하고 있습니다. 이렇게 자연 모사 기술의 유사개념은 큰 개념은 동일하지만 쓰이는 곳과 분야에 맞게 다양하게 이용되고 있습니다.

2. 자연 모사 기술(Nature Inspired Technology)의 배경

 자연 모사 기술을 이해하기 위해서는 다음의 질문을 이해하는 것이 가장 효과적일 것으로 생각합니다. 왜 인간은 자연에서 기술을 얻어내려고 하는 것일까요? 그 이유는 대부분의 분야에서 자연 그대로의 기술이 더 높은 효율과 능력을 가지고 있기 때문입니다. 한 가지 예로 지구상에서 스스로 에너지를 생산할 수 있는 유일한 생물은 식물입니다. 이 식물들은 태양광을 이용하여 물과 이산화탄소로부터 포도당을 생산하는데 우리는 이것을 광합성이라고 부릅니다. 이러한 식물이 가진 광합성의 높은 에너지 생산과 소비 효율에 비교할 만한 기술이 아직 인류에겐 없습니다.

 낮은 폐기물 배출 능력 또한 매우 효율적입니다.  폐기물 배출 능력은 동식물들이 배출하는 부산물들을 다른 동식물들이 다시 이용하거나, 적은 양의 부산물을 배출하는 것을 말합니다. 그리고 자체 정화 능력 및 높은 지속 능력 등의 영역 역시도 아직 인류가 재현해 내지 못하고 있는 것들입니다. 이처럼 자연 모사 기술은 자연과 인간이 가진 기술의 차이를 인식하는 것에서부터 시작이 되는 것입니다.

3. 자연 모사 기술(Nature Inspired Technology)의 분류

 현재 자연 모사 기술의 연구 범위는 매크로 수준에서 나노 스케일까지 매우 광범위하게 진행되고 있습니다. 이에 따라 자연 모사 기술을 연구하는 분야도 바이오 메카트로닉스 및 로보틱스, 인지 및 통신(Sensing & Communication), 섬유, 건축 디자인 및 자재, 유체역학, 유틸리티(전기, 수도), 정보 관리시스템, 의료, 농업 등 인류 생활 전반에서 적용되고 있습니다. 특히 바이오 메카트로닉스 및 로보틱스 분야는 자연 모사 기술을 선도적으로 이용하고 있는 분야로 개구리 다리를 로봇과 연결하여 헤엄치는 로봇을 만들거나 의족과 신경 섬유를 이어 실제 다리처럼 움직이게 하는 등의 연구를 진행하며 로봇과 바이오 역학을 융합하는 연구 분야입니다.  

 

4. 자연 모사 기술(Nature Inspired Technology)의 대표적인 예

 지금부터는 자연 모사 기술을 이용한 분야의 대표적인 예를 알아보겠습니다. 가장 적극적으로 이 자연 모사 기술을 이용하여 연구를 하고있는 분야는 앞서 말씀드렸던 바이오 메카트로닉스와 로보틱스 분야입니다. 가장 신기한 로봇 기술 개발을 선정할 때 항상 상위권에 포진해 있는 일명 ‘가오리 로봇’을 소개해드리겠습니다. 이 로봇은 실제 해양 생물인 가오리를 모티브로 한 로봇으로 한국의 서강대학교 연구진과 미국 하버드 대학교의 연구진의 한, 미 합작 공동 연구의 결과로 동전 크기보다 작은 가오리 로봇을 개발하였습니다.

 하버드 대학교의 응용 물리학자이자 바이오 하이브리드 가오리의 발명자인 케빈 키트 파커 교수는 인공 심장 등을 이용하여 의약품 안전과 효과 테스트에 사용하는 소형 인간 장기 개발 분야의 권위자로, 이 가오리 로봇의 개발 몇 년 전 어린 딸과 함께 ‘뉴잉글랜드 수족관’을 방문했다가 가오리가 헤엄을 치는 것을 보았는데 딸이 레이저 포인터를 이용해 가오리를 유인하는 모습에서 아이디어를 얻었다고 합니다. 이러한 탄생 비화를 가진 이 가오리 로봇은 바이오 하이브리드를 기반으로 하여 인공 부분과 생물학적 부분을 동시에 가지고 있습니다. 이 연구결과는 해외 SCI 유명 저널인 '사이언스' 지에 표지로 선정될 만큼 혁신적인 연구로, 살아있는 쥐의 심장 세포와 인공 물질을 섞어 만든 이 로봇의 길이는 16mm, 무게는 10g입니다. 제작 방법은 쥐의 심근세포를 실리콘 몰드에 배양하여 3D 프린트로 제작된 금 골격에 부착시켰고, 광유전학 기술을 이용하여 쥐의 심근세포에 빛에 반응하는 광감성 이온 채널 단백질(ChR2)이 발현하도록 유전자 조작을 진행했습니다. 이렇게 유전자 처리된 이 쥐의 심근세포는 빛에 반응하는 감응성을 가지게 되고 외부에서 빛으로 자극을 주면 근육의 수축과 이완을 통해 로봇이 움직일 수 있게 되는 원리입니다. 로봇은 쥐의 심근세포에서 배양된 외피로 이뤄져 있어 실제로 물고기가 헤엄치는 것처럼 빛을 따라 유연하게 움직일 수 있었고, 실제 가오리와 마찬가지로 지느러미를 파도처럼 움직여 부드럽게 물속을 헤엄치며, 시간당 9미터의 속도로 움직일 수 있다고 합니다.