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불가능해 보이는 일들을 수행하는 생물들

소금쟁이를 모방한 생체모방공학

저자:
번역자: 한국창조과학회 (creation.or.kr)

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몇 년 전부터 생체모방공학(biomimetics, 생물의 설계를 모방하는 공학)의 영역이 매우 넓어지고 있다. 하나님의 창조물로부터 영감을 받은 새로운 설계와 시스템이 적용된 로봇과 무인항공기들의 숫자가 증가하고 있는 것이다.1 카네기 멜론(Carnegie Mellon) 대학의 나노로봇공학 실험실을 이끌고 있는 메틴 시티(Metin Sitti) 조교수는 2006년에 ”자연에는 불가능해 보이는 일들을 해내는 생물들이 굉장히 많다. 이 보다 더 좋은 영감의 원천은 없다”고 말했다.2

물론 공개적으로 하나님을 신뢰함으로 생체모방 기술의 발전이 이루어졌다고 말하는 사람은 찾아보기 힘들다. 오히려 자연의 놀라운 진화를 칭송할 뿐이다. 성경은 ”…나 여호와가 하늘과 땅과 바다와 그 가운데 모든 것을 만들고…”(출 20:11)라고 말씀하고 있다. 오늘날 생물에서 보여지는 경이로운 설계들을 창조주에 의한 원래의 창조로 보지 않고, 무작위적인 자연적 과정에 의해 ‘진화’한 것이라고 말하는 잘못된 편견이 만연해 있다. 그러나 생물들은 의도적이고 지적으로 설계되었다고 제안할 많은 이유들이 있다. 특히 매우 뛰어난 연구자들로 구성된 연구팀이 모방한 설계라도, 여러 면에서 원작의 우수성에 미치지 못하는 것을 생각할 때, 더욱 그렇다. (심지어 공학자들이 복제하기 원하는 단 한 가지 특성에 대해서도 마찬가지이다.)

좋은 예로서 소금쟁이(water strider)가 있다. 2005년에 로봇 공학자들은 소금쟁이가 물의 표면장력을 이용하여 물위를 스케이트 타듯 다니는 능력을 모방한 최초의 로봇을 제작했다고 발표했다.3 (표면장력은 물방울이 구슬처럼 튀는 현상과 같은 것이다.)

물 위를 미끄러져가는 수상스케이팅 로봇(water-skating robot)은 상당한 성과를 거두었지만, 소금쟁이는 여전히 공학자들을 앞서고 있었다. 그들은 소금쟁이가 마치 단단한 땅에서 점프하듯이, 어떻게 수면에서 점프할 수 있는지를 설명할 수 없었다. 예를 들면, 한국에서 살아가는 길이 1.3cm인 소금쟁이는 자신의 길이의 6배가 넘는 8cm 이상을 점프할 수 있다.

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A water strider (insect, black, in forefront) next to two robots (larger, arrowed) that were inspired by it.

10년의 연구 끝에 소금쟁이의 도약력을 모방한 연구진은 인상적인 발전을 이루어냈다.4,5 고속촬영 장비를 비롯한, 여러 첨단 기술의 장비들을 사용하여, 연구자들은 소금쟁이 다리의 움직임이 물의 표면장력이 끊어지지 않을 정도로 점진적으로 가속화되는 것을 관찰했다. 그들은 소금쟁이의 다리가 가하고 있는 최대 힘이 물의 표면장력 반대쪽에 수직으로 작용하지만, 결코 표면장력을 초과하지는 않는다는 것을 발견했다. 그렇기에 다리가 가라앉지 않는 것이다. 또한 소금쟁이가 물 표면을 밀 수 있는 시간을 벌기 위해, 다리를 안쪽으로 쓸어 올린다는 것을 발견했다. 더구나 소금쟁이의 다리 끝부분은 물 표면에 형성되는 작은 굴곡에 적응하기 위해 완벽한 형태로 구부러져 있어서, 다리에 닿는 물의 표면장력을 최대한으로 이용할 수 있었다.

공학자들은 새로운 지식으로 무장하여, 경량 로봇을 만들었다. 이 로봇은 자신의 높이 만큼인 14cm를 수면에서 뛰어오를 수 있었다. (소금쟁이보다 조금 무거운 0.068g, 높이 1㎝의 이 로봇은 5㎝짜리 다리 4개로 물 위에서 최대 14㎝ 높이까지 뛰어올랐다). 소금쟁이처럼, 이 로봇은 땅에서 점프하듯이 수면에서 점프할 수 있었지만, 딱 한번만 점프가 가능하다는 점이 다르다. ”살아있는 소금쟁이와는 달리, 이 1세대 소금쟁이 로봇은 도약한 후에, 다시 떨어져서는 일어설 수 없다.”6

궁극적으로 연구자들은 랜딩(착륙)을 조절할 수 있거나, 여러 번 점프를 할 수 있는, 또한 필요한 전자장비(예로 배터리나 센서)를 운반할 수 있는 로봇을 제작하는 것이 목표이다. 이러한 로봇은 감시, 수색, 구조작업, 환경 모니터링에 유용하게 쓰일 것으로 예상된다.

그런데 로봇의 점프 메커니즘은 소금쟁이가 아니라, 벼룩(flea)의 것을 모방한 것이다. 즉 최소 두 생물로부터 영감을 받아, 그 로봇이 제작되었다는 것이다. 연구책임자인 서울대학교 기계항공공학부의 조규진 교수는 ”자연의 생물들은 공학자들에게 많은 영감을 준다”고 말했다.7

그 ”자연의 생물”들은 원래 자연적으로 생겨난 것이 아니라, 우리 사람처럼 초자연적으로 생겨났다. 그러나 사람은 중요한 차이점을 가지고 있다. 소금쟁이와 벼룩과는 달리 우리는 창조주의 형상대로 창조되었다.(창세기 1:26~27) 그래서 모든 생물들 중에서 오직 사람만이 하나님이 만드신 것을 모방하고, 연구할 수 있는 능력을 갖고 있는 것이다. 그리고 사람이 만든 것들 중 하나가 하나님이 손수 만드신 것과 어느 정도 일치하는 부분이 있더라도, 그러한 설계를 누가 먼저 생각하셨는지를 결코 잊어서는 안 된다.

From The American Association for the Advancement of Science, Two leaps forward for robot locomotion. Reprinted with permission.water-strider-mimic-Koh
Water strider mimic. Koh et al. have designed a robot that can jump from a water surface without sinking.

참고 문헌및 메모

  1. E.g. see creation.com/biomimetics and creation.com/burgess. 텍스트로돌아 가기.
  2. Quoted in ‘Mech Nuggets’, Carnegie mech—carnegie mellon 10(1):17, Fall 2006; me.cmu.edu. 텍스트로돌아 가기.
  3. Suhr, S., Song, Y., Lee, S., and Sitti, M., Biologically inspired water strider robot, Robotics: Science and systems, MIT, Boston, June 2005, nanolab.me.cmu.edu. 텍스트로돌아 가기.
  4. Vella, D., Two leaps forward for robot locomotion, Science 349(6247):472–473, 2015; doi:10.1126/science.aac7882. 텍스트로돌아 가기.
  5. Koh, J., Yang, E., Jung, G., Jung, S., Son, J., Lee, S., Jablonski, P., Wood, R., Kim, H., Cho, K., Jumping on water: Surface tension-dominated jumping of water striders and robotic insects, Science 349(6247):517–521, 2015; doi:10.1126/science.aab1637. 텍스트로돌아 가기.
  6. Schwartz, S., Robot springs off water: Inspired by water striders, lightweight bots take advantage of surface tension to leap, sciencenews.org, 30 July 2015. 텍스트로돌아 가기.
  7. Choi, C., Bug Bots! These insect-inspired robots can jump on water,livescience.com, 3 August 2015. 텍스트로돌아 가기.

Helpful Resources

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