LG경제연구원, ‘창의적인 모방-생체모방기술 개발에 탄력 붙고 있다’
하늘 아래 새로운 것은 없다
‘하늘 아래 새로운 것은 없다.’라는 서양 속담도 있듯이 제아무리 최첨단 과학기술이라 할지라도 천재적인 독창성보다 어딘가에서 본듯한 내용을 바탕으로 이루어지는 경우가 대부분이다. 이제 우리 생활의 일부분이 되어버린 옷, 신발 등에서 쉽게 붙였다가 떼었다 할 수 있는 찍찍이(Velcro)는 메스트랄이라는 스위스의 전기기술자가 개를 데리고 들에 산책하러 나갔다가 도꼬마리 씨앗이 자신의 바지와 개의 털에 달라붙는 것을 보고 이에 착안해 발명했다는 유명한 일화가 있다.
우연이 아닌 필연적인 발견을 통해 자연이 인간에게 위대한 발명가이자 선생님이 될 수 있다고 한다면, 처음에는 이상하게 들릴 수도 있다. 하지만, 지구 상의 생물은 자연의 진화 과정에서 갖가지 시행착오를 슬기롭게 극복하여 살아남은 존재들이다. 이렇게 생존에 최적화된 생물체의 구조와 기능을 연구하여 인간의 생활에 적용하는 것은 쉽게 생각하면 자연의 검증된 원리를 그냥 일상생활에 빌려와 쓰면 되는 매력적인 일이라 할 수 있을 것이다.
주목 받는 생체모방기술
우연이 아닌 필연적인 발견을 위해 자연의 구조, 원리, 메커니즘, 시스템을 모방 또는 응용하는 학문을 생체모방기술이라고 부른다. 영국의 Bath 대학교의 Vincent 교수에 따르면, 초창기의 연구는 주로 자연의 모양을 단순 흉내를 내거나 일부를 복제하는 수준이었다. 과거에는 자연과 이를 적용하려는 공학 분야와의 연관관계가 약했었지만, 미시적인 분석과 수리적 물리적 모델링이 가능해지면서 자연의 기능을 모방하는 것이 가능해졌다. 자연모방을 통한 다양한 가능성이 점쳐지면서 제품 생산에만 국한되었던 생체모방기술의 범주도 자연의 설계와 프로세스로부터 영감을 얻어 인류의 문제를 해결하려는 포괄적인 분야로 확장되고 있다. 이에 따라 생명공학, 생태학, 재료공학, 로봇공학, 인공지능, 정보통신, 건축학, 의료, 에너지 등 다양한 분야에서 현재 생체모방기술을 적용하려는 움직임이 커지고 있다.
작년 컨설팅 전문기관인 FBEI (Fermanian Business&Economic Institute)는 ’00년을 기준으로 ’10년까지의 생체모방기술 관련 연간 특허 및 논문 출원 건수, 정부지원과제 금액 및 건수를 바탕으로 다빈치 지수(The Da Vinchi Index)를 산정하여 발표하였는데 최근 2년간 눈에 띌 만큼 생체모방기술에 대한 관심이 높아졌음을 확인할 수 있다.
생체모방기술이 주목 받는 까닭은 크게 두 가지로 볼 수 있다. 하나는 나노 기술의 발달이다. 생물체의 구조와 기능을 분자 수준에서 파악할 수 있게 됨에 따라 생물체의 재해석과 설계가 가능해졌다. 이를테면 게코도마뱀의 발가락 빨판에서 얻은 접착테이프, 모르포나비의 발색 구조를 흉내 낸 디스플레이, 전복껍데기의 단단한 껍데기 구조에서 착안한 장갑차 등이 있다. 유럽에서 나노 기술은 ‘Nano meets Bio’로 불릴 만큼 다른 분야 사이의 융합과 연결을 가능하게 하는 기술(Enabling Technology)로 여겨지고 있다.
다른 하나는 계속되는 소비자들의 새로운 기능 구현 요구의 목소리가 커지고 있다는 것이다. IT기술의 발달과 함께 소비자들이 제품 개발 과정에 직접 참여하는 등 여러 분야에서 다양한 기능의 제품을 요구하는 사례가 눈에 띄게 늘어나고 있다. 고객들의 다양한 요구에 대응하기 위해 생체모방기술에 관심을 갖는 기업들도 증가하는 추세이다. Sharp는 2008년부터 생체모방기술 전담 부서를 두고 생물체의 형상을 부분적으로 모방해 효율과 성능을 높인 제품을 시장에 내놓고 있다.
생체모방기술이 열어가는 세상
자연을 스승으로 삼고, 자연의 지혜를 배우려는 생체모방기술이 만들어 가는 앞으로의 우리 생활은 어떠할까? 생체모방기술은 에너지 절감, 제품 기능 강화, 최적화된 정보 가공 처리, 신소재 개발을 가능하게 할 것이다. 또한, 자연을 지배하거나 개조하는 방식이 아니라 자연으로부터 배운 것을 기반으로 지속 가능 발전을 추구함으로써 자연중심 경제로의 이행에 기여할 전망이다.
1. 에너지 절감
산업혁명 이후 우리가 일상생활에서 접하는 제품 대부분은 ‘가열하고, 두드리고, 처리하는(Heat, Beat and Treat)’는 과정으로 만들어진다. 원료를 가져와서 엄청난 에너지를 사용해 가열하고, 기계장비를 통해 형태를 만들고, 화학물질로 마감처리를 해 디자인과 강도를 유지하는 과정을 거친다. 하지만, 고유가 시대에 에너지 비용 부담이 하루가 멀다고 커지고 있으며, 이에 따라 고효율, 저비용, 저에너지 제품의 아이디어를 자연에서 얻으려는 움직임이 점차 확산되고 있다.
일본의 Sharp는 왕나비의 날개에서 모티브를 딴 선풍기를 올해 5월 출시해 인기몰이를 하고 있다. 소비자가 쾌적하고 고른 바람을 느끼려면 날개 개수를 늘려야 한다. 하지만, 송풍 효율이 떨어지고 소음이 발생한다는 문제점이 있었다. 왕나비가 많은 날개짓을 하지 않고 장거리를 여행할 수 있다는 사실은 왕나비의 날개 바깥쪽 가운데 부근이 패인 형태라는 아이디어에 착안하여 이를 선풍기 팬에도 적용하였다. 새로 고안한 7장의 날개는 14장의 날개에 해당하는 부드러운 바람과 함께 압력 변동을 65% 줄이고, 송풍 불균형을 기존의 1/40로 줄인 효과를 가져왔다.
Toyota 자동차는 베짱이의 발바닥 구조를 본뜬 저마찰 엔진을 개발 중인 것으로 알려지고 있다. 베짱이의 점프력의 비밀은 발바닥의 육각형 모양의 표면에 숨어 있다. 이러한 구조가 건조할 때는 움직임을 부드럽게 하여 미끄럼마찰을 줄이고, 습할 때는 수막현상을 줄여주는 효과가 있다. 엔진 마찰을 줄이기 위해 베짱이의 발바닥과 유사한 작은 둥근 홈이 규칙적으로 배열된 구조를 자동차 엔진의 피스톤과 실린더에 적용하는 연구를 진행하였고, 곧 상용화를 앞두고 있다.
자연이 가장 경제적인 방식으로 고효율, 저비용, 저에너지 제품을 만든다는 것은 놀라운 사실이 아니다. 진화 과정에서 살아남으려면 최대의 효율로 최적화된 기능을 구현해야 하기 때문이다. 여기에는 에너지 절약 설계라는 자연의 지혜가 숨어 있고, 앞으로 더 많은 기업들이 관심을 가지고 실용화하는 사례가 늘어날 전망이다.
2. 제품 기능 강화
나노 기술의 발전으로 여러 분야에서 자연의 다양한 기능을 모방한 제품들이 등장하고 있다. 이는 제품의 재해석과 재설계가 가능해 졌기 때문이다. 자연의 시스템은 종류가 매우 많고, 그 안에 숨어 있는 기능 또한 무궁무진하기 때문에 다양한 분야에 광범위하게 생체모방기술이 확산 적용되는 추세이다.
의료 분야에서 유명해진 Terumo의 무통주사는 모기 주둥이를 형상화하였고, 건축 분야에서 건물 외벽의 셀프 클리닝이 가능한 STO의 페인트는 연잎의 발수효과를 적용한 것이다. 또한, 디스플레이에서 주목 받는 Mitsubishi의 반사방지필름은 나방의 눈을 본뜬 예이다.
이러한 자연의 결과물에서의 얻은 아이디어가 최근 들어 복합적으로 적용되는 움직임도 나타나고 있다. 예전에는 특정 상황에서 최적화된 생물체의 기능 하나에 주목하여 제품을 디자인했다면, 이제는 다양한 상황에서 각각 최적화된 기능들을 하나의 제품으로 통합하려는 움직임도 보이고 있다.
테니스라켓으로 유명한 Dunlop사의 경우 재작년부터 Biomimetic이라는 제품을 개발 출시하고 있다. 이름에서 알 수 있듯이 자연의 뛰어난 기능들이 하나의 테니스라켓에 녹여져 있다. 테니스 경기에서 승부의 핵심은 선수와 라켓이 혼연일체가 되어 빠른 서비스를 넣고, 안정적인 리턴과 전략적인 다양한 샷을 구사하는 것이다. 상어 피부의 구조(Riblet)는 이미 전신 수영복에서도 사용될 정도 빠른 속도를 내는데 도움을 주는데 이를 테니스 라켓 전면에 적용하여 스피드를 높였고, 이미 다양한 분야에서 안정적인 구조로 사랑 받는 벌집구조(Honeycomb)를 라켓 소재에 적용하여 안정감을 높였다. 또한, 끈끈한 접착제 없이 강력하게 붙을 수 있는 게코도마뱀의 발판을 라켓 그립에 사용하여 라켓의 착용감을 강화할 수 있었다.
3. 최적화 된 정보 가공 처리
자연에서 생물체의 진화 자체 결과물을 모방해왔던 생체모방기술이 개미나 벌 같은 곤충집단의 사회적 행동에서 아이디어를 얻어 정보 처리 또는 제어 문제를 해결하려는 움직임도 늘어나고 있다. 최근 10년 들어 생물체들의 행동 원리를 모델링하여 최적화된 정보 처리를 수행하는 연구가 한창이다. 특히 이질적인 특성이 있는 개체들이 가용 자원의 제약과 주변 환경이 동적으로 변하는 상황에서 자율적으로 움직이며 안정된 구조를 유지하고 확장과 적응을 이룬다는 점에 착안하여 이들 집단의 행동에 주목하고 있다.
브리티시 텔레콤은 단말의 위치가 자주 변하는 이동 통신의 환경에서 어디로 정보 패킷을 보내는 가의 문제에 개미들이 최적화된 길 찾기를 모방한 라우팅(Routing) 방법을 적용하고 있다. 통신회사가 언제 어느 곳에 트래픽이 몰릴지, 통신 채널이 단절될지 모르는 상황에서 가장 최적의 경로를 매번 계산한다는 것 자체가 불가능한 일이다. 이 문제에 개미가 분비하는 페로몬이라는 화학 물질과 유사하게 정보 패킷들이 디지털 신호를 남겨놓고 돌아오는 방법을 적용했다. 무리 전체에 지시를 내리는 관리자 개미 없이 개별 개미가 페로몬이 더 많이 뿌려진 길을 선택하는 단순한 규칙처럼, 정보 패킷들도 단순히 디지털 신호가 많이 남겨진 길을 선택하게 함으로써 전체 시스템에 부담 없이 정보 처리가 효율적으로 이루어지게 하였다.
출판사 맥그로 힐(McGraw-Hill)은 자사 물류 창고에 수확개미(Harvester Ant)의 아이디어를 적용했다. 수확개미는 마치 이어달리기를 하듯이 먹이를 나른다. 개미들에게는 먹이의 위치와 개미집의 위치만 정해져 있을 뿐 다음 개미에게 먹이를 넘겨주는 위치가 정해져 있지 않다. 그리고 ‘다음 개미를 만날 때까지 먹이를 나른다’라는 정해진 규칙을 따라서 움직인다. 일을 감시하는 관리자 개미가 있을 필요도 없고, 어느 한 개미에게만 일의 부담이 커지지도 않으면서 전체 먹이 나르기는 효율적으로 진행된다. 맥그로 힐도 기존에는 창고의 구역을 나누어 전담하는 직원을 두었지만, 전담하는 직원의 숙련도에 따라 일 처리 속도가 다르고 책을 찾는 방식이 비효율적이었다. 하지만, 수확개미의 먹이 운반 아이디어를 적용하여 물류 창고 전체 생산성이 30% 향상되는 결과를 가져왔다.
하지만, 자연의 최적화된 정보 가공 처리 알고리즘들을 실제 생활에 적용하려면 해당 적용 분야의 문제와 자연의 문제 해결 방식 사이에 유사성이 존재해야만 가능하다. 또한, 개미나 벌들의 특성을 알고리즘에 최적화해야 하는 문제도 존재하기 때문에 아직은 이러한 생체모방기술을 통한 정보 가공 처리는 가능성과 개선의 여지를 동시에 가지고 있다고 할 수 있다.
4. 신소재 개발
생체모방기술을 바탕으로 신소재를 개발하려는 움직임도 많아지고 있다. 소재기술의 특성상 용도를 특정하지는 않지만, 사람들의 불편을 해소하고 삶의 질을 개선하기 위한 목적으로 다양한 개발 시도가 이루어지고 있다.
금방 끊어질 듯이 약해 보이지만 강철보다 20배나 튼튼하고, 방탄복 소재인 케블라(Kevlar) 섬유보다 4배 강한 거미실크의 모방은 가장 뜨거운 신소재 개발 분야 중 하나이다. 거미는 거미실크의 주 원료인 단백질을 실 샘으로부터 긴 관을 거쳐 몸 밖으로 고체 상태의 거미실크를 뽑아내는데 이 과정이 예전에는 베일에 싸여 있었다.
하지만, 블랙박스와도 같았던 거미실크 제조과정들이 하나둘씩 밝혀지기 시작하면서, 이를 인공적으로 제조해내는 방법들도 속속 개발되고 있다. 올해 미국의 와이오밍대에서는 누에의 몸에 거미실크를 만드는 유전자를 이식하는 방법으로 거미실크를 생산하는 누에를 만들었다. 거미의 습성상 대량으로 키우는 것이 불가능했지만, 누에처럼 여러 개체를 한 곳에 대량으로 놓고 키우는 방법을 고안한 것이다. 누에를 이용한 생물학적 방법 이외에도 거미실크 생산을 위한 다양한 화학적 방법들도 연구 개발이 이루어져 상용화를 준비하고 있다.
그뿐만 아니라, 거미가 거미실크를 만드는 과정에서 아이디어를 착안한 의료용 제품도 등장했다. 영국 Orthox사는 거미실크를 방사하는 과정을 모방하여 ’08년 인공 연골 제품을 출시했다. 인공연골은 거미실크의 튼튼하고 질긴 특성을 그대로 가지고 있으며, 인체에서 면역거부반응이나 알레르기를 일으키지 않기 때문에 연골 환자들에게 큰 인기를 얻고 있다. 이처럼 거미실크는 초강력 소재이면서 인체적합성도 높기 때문에 인공 연골 외에도 다양하게 의료 부분에 적용될 전망이다.
오픈이노베이션을 통한 연구개발 활발
생체모방기술은 자연에서 영감을 얻어 에너지 소모가 적은 제품들을 만들고, 소비자들이 원하는 더 많은 기능을 구현해 내며, 자연의 최적화된 알고리즘을 바탕으로 정보를 처리하고, 신소재 개발을 가능하게 함으로써 지속 가능한 발전에 기여할 수 있다.
하지만, 실제 현실이 되고, 많은 분야에서 응용이 되는 생체모방기술이 어느 날 하늘에서 뚝딱 떨어지는 것은 아니다. 2001년에 발견된 게코도마뱀의 접착 원리는 생물학자에 의해 발견되고 해석된 후 5~7년 정도 지난 후에야 그 구조와 원리에 대한 응용 사례가 증가한 것으로 나타났다.
또한, 생체모방기술은 생물학과 공학 등의 다양한 학제 간의 연구가 필요한 분야로 하나의 기업이 독자적으로 핵심 역량을 구축한다는 것은 어려운 일이다. 아무리 게코도마뱀의 접착력이 뛰어나다 하더라도, 기업이 직접 게코도마뱀을 키워서 아이디어를 발굴할 수 있는 게 아니다.
이에 따라 생체모방기술의 사업화를 위해서는 오픈이노베이션의 활용이 바람직할 것으로 보인다. 2000년도 초반부터 유럽에서는 생체모방기술을 바탕으로 한 산업 진흥 노력이 진행되고 있다. 현재 가장 잘 확립된 연구 조직망을 가지고 있다는 독일의 경우, 연방정부의 후원을 바탕으로 2000년대 초부터 베를린공대를 주축으로 생체모방기술을 연구하는 28개 연구 네트워크 BIOKON(Bionics Competence Network)를 운영하고 있다.
BIOKON은 앞으로 독일 내부에 그치지 않고 국제 간의 네트워크가 되는 것을 목표로 하고 있다. 특히, 작년에는 세계 최초로 “International Industrial Convention on Biomimetics” 포럼을 개최하여 연구실에서 잠자고 있는 과학적 아이디어를 기업들이 활용할 수 있도록 만남의 장을 제공해 주기도 하였다. 미국에서도 이와 비슷하게 생체모방기술 분야의 오픈이노베이션에 관심을 가지고 Autodesk사의 후원으로 Ask Nature라는 인터넷 사이트를 개설하는 등 관련 네트워크 조성에 박차를 가하고 있다.
이에 반해 아직 우리나라는 뚜렷한 협력모델이나 인프라가 거의 조성되어 있지 않다. 앞으로 기업과 대학/연구기관과의 연계를 통해 연구의 씨를 뿌리고 장기적으로 생체모방기술을 육성해 나가야 할 것이다. 이를 통해, 기업 입장에서는 생체모방기술의 탐색 비용을 줄이고, 대학/연구기관 입장에서는 발굴해낸 아이디어를 사업화 시키는 Win-win 모델이 가능해질 것이다. 이러한 노력이 이루어진다면 생체모방기술을 바탕으로 지속 가능한 발전이 가능한 세상도 멀지 않은 이야기가 될 것이다. [LG경제연구원, 하일곤 연구원]
*위 자료는 LG경제연구원이 발표한 보고서의 주요 내용 중 일부 입니다. 언론보도 참고자료로만 사용할 수 있습니다.
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