생체모방기술

본문내용

규명하고 이로부터 생체모방 기술을 개발하는 연구는 유체역학 분야에서 많은 연구자들에 의해 새롭게 조명되며 관심의 대상으로 자리잡은 분야이다. 오랜 기간 적자생존 과정을 거쳐 최적화된 생물체의 거동에 대한 연구로부터 효과적인 생체모방 기술을 도출할 수 있을 것이며, 이를 자동차, 기차, 항공기, 선박과 같은 운송체나 산업현장에 적용함으로써, 유동저항을 감소시키고 에너지를 절약하며, 환경을 개선하고 유체기계의 효율을 극대화하는 데 기여할 것이며 새로운 산업으로도 발전할 수 있을 것이다.
생체 외부 유동현상 규명과 관련하여 Cambridge 대학의 Ellington 교수는 고속카메라를 이용하여 곤충 날개의 공기력 발생 메커니즘인 leading edge vortex 현상을 규명하였다. 그리고 CALTECH의 Dickinson교수는 동적으로 상사된 모형 곤충날개 주위 유동에 PIV기법을 적용하여 회전양력, 후류 recapture 등과 같은 새로운 유동현상을 밝혔다.
생체 내부 유동
산업발달과 함께 NT, BT 기술이 부각되고 생활수준이 향상됨에 따라 건강, 특히 순환기 질환에 대한 일반인들의 관심이 커지고 있다. 최근 식생활의 서구화로 인하여 순환기 질환에 의한 사망률이 급격히 증가하고 있다. 2004년도 우리나라 사망원인 통계에 따르면 암에 의한 사망과 순환기 질환에 의한 사망이 1, 2위를 점하고 있다. 이처럼 현대인의 질병 중 매우 중요한 위치를 차지하는 순환기 질환에 대한 연구는 그 동안 대부분 의학분야에서 이루어져 왔다. 그러나 병리학적 관점에서만 이 문제를 다루어 왔기 때문에 다양성을 지닌 복잡한 혈류유동과 순환기 질환에 대한 원인규명은 매우 미흡한 실정이다. 최근 들어 학제간 융합 연구를 통해 혈류유동에 의해 발생하는 순환기 질환의 원인을 규명하고자 하는 노력이 시도되고 있다. 혈관 내벽에 분포되어 있는 내피세포는 혈류흐름의 전단응력을 감지하고 이에 따라 혈관을 국부적으로 수축 또는 확장시킨다고 알려져 있다. 그러나 실제 혈관 내부의 혈류유동과 벽면전단응력 분포에 대한 정량적인 정보는 순환기 질환 연구에 있어서 매우 중요하나 아직까지 알려진 것이 거의 없다.
Hove 등은 zebrafish에 PIV(particle image velocimetry) 속도장 측정기법을 적용하여 심장 내부의 전단응력과 심장 발달 사이의 상관관계를 연구하였다. 또한 동경대의 Okamoto교수는 쥐의 장간막에 있는 세동맥(arteriole)의 혈류유동을 PIV기법으로 측정하였다. 그러나 생체시술로 관찰하고자 하는 혈관을 생체 외부로 적출하여 실험을 수행함에 따라 생체리듬이 달라지고, 신뢰할 수 있는 데이터를 얻기 어렵다는 한계를 가지고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 생체 내부 혈류유동을 in-vivo 방식으로 계측하여야 한다. Kukuchi 등은 살아있는 모기의 흡혈 유속이 매우 빠른 것에 착안하여 흡입성능이 우수한 micro pump를 개발하기 위해 모기의 생체구조를 SEM으로 관찰하고 주둥이 부분에서의 흡입유동을 micro PIV기법으로 관찰하였다. 그러나 죽은 모기를 wax로 고정하고 머리부분을 얇게 잘라서 SEM 으로 관찰하였기 때문에 모기의 pump작동원리를 제대로 규명하지 못하였다. Chicago 대학의 Westneat은 coherence특성이 우수한 가속기 soft X-ray를 이용하여 곤충의 호흡과정을 관찰하는 연구를 수행하여 2003년 Science지에 그 결과를 발표하였다. 그들은 위상대비(phase contrast) 영상기법을 이용하여 곤충의 호흡과 그에 따른 내부기관의 움직임을 관찰하여 호흡과정을 해석하였다.
5.결론
앞서 기술한 생체와 관련된 유체역학 분야는 국내의 경우 선진국과 비교할 때 생체유체 분야 연구는 초기 단계로 최근 몇몇 대학과 연구소에서 생체 유동과 관련된 연구를 수행하고 있으며, 조류의 날개 짓 운동이나 물고기의 거동에 대한 연구도 시작되고 있으나 대부분 기초실험이나 수치 해석적 연구가 주를 이루고 있다. 그래서 아직까지 생체유동현상의 다양성을 제대로 해석하지는 못하고 있다. 자연계에 존재하는 어류, 조류 그리고 곤충 등과 같은 생물체는 최적화된 운동 메카니즘을 가지고 있으므로, 그 작동원리를 규명하고, 이로부터 운송체나 산업현장의 문제해결에 활용할 생체모방 기술을 개발한다면 최적의 운송 메커니즘을 구현할 수 있는 새로운 개념의 운송수단이 우리의 생활 주변에 등장 할 것이다. 그리고 생체 내부 유동과 관련하여, 치사율이 높은 심혈관계 질환에 대한 생리학적 관찰 결과는 많이 있지만, 질환 원인에 대한 다양한 가설을 유체역학적 관점에서 뒷받침 할 수 있는 실험결과는 아직까지 거의 없는 실정이다. 따라서 현존하는 가설들을 명확하게 규명하는 것이 심혈관계 질환의 진단과 사전 예방에 필수적이다. 또 다른 생체 내부유동으로 식물의 도관 내부의 수액거동이나 기공에서의 증산작용(transpiration)을 연구하고자 하는데, 식물의 도관에 있는 membrane 특성을 이용하면 연료전지나 미세채널의 막힘 문제를 해결할 수 있고, 증산작용을 하는 기공의 원리를 밝히면 태양전지의 성능을 획기적으로 개선할 수 있을 것이다.
이러한 연구는 과학기술적으로 매우 중요하며, 학문적으로 그 가치가 매우 크다. 또한 과학기술적 난제인 생명체 내부 혈액유동이나 식물의 수액거동 등에 대한 물리적 현상을 규명함으로써 이들 속에 감추어진 자연의 신비와 함께 동맥경화와 같은 순환기 질환 발생 원인을 규명할 수 있으며, BT나 NT 기술개발에 있어서 새로운 돌파구를 열수 있어 과학기술적 가치가 매우 크다고 할 수 있다. 또한 생명체 주위 유동 현상으로부터 밝혀질 생체모방 기술도 새로운 연구분야를 개척할 수 있어 과학기술분야를 진일보 시키는데 크게 공헌할 것이다. 이들 새로운 연구 주제는 과학기술적으로나 사회경제적인 영향이 매우 크고 중요하여 선진국에서도 많은 관심을 가지고 일부 관련 연구를 시작하고 있기 때문에 원천기술을 우리가 먼저 확보하기 위한 경쟁이 새롭게 시작된 분야로 유체역학 분야의 blue ocean 이며 국가적으로도 매우 중요한 새로운 분야라 할 수 있다.

키워드

생체,   모방,   생체모방,   생물모방,   바이오,   화학,   인공