기계/조선

계측과 제어_Vol.61 2022.1 특집 (4~7)

생물로부터 배우는 계측 기술
바이오미메틱스(생체 모방) 연구가 개척하는 미래

● 총론: 인류세(Anthropocene)의 바이오미메틱스(Biomimetics)
환세계(움벨트, Umgebung)의 공존을 향해

1. 머리글
견사(絹紗)로부터 나이론, 해면동물로부터 스폰지, 밀짚으로부터 빨대 등 우리 주변에는 생물을 모방한 것들이 다양하게 존재한다. 생물로부터 배운다는 사고방식은 레오나르도 다빈치로 거슬러 올라갈 정도로 오래되었으며, 현재도 산업계에서 널리 쓰이고 있다.

그럼에도 불구하고, 생체모방기술에 관한 국제 표준화는 이제 막 시작되어, 독일의 제안으로 2011년에 국제표준화의 기술위원회 ISO TC266 Biomimetics가 출범했다. 일본에서도 ‘생체 모방(바이오미메틱스)’이라는 단어는 아직 일반사회에 널리 쓰이고 있지 않다. 그 원인 중 하나는 생물에게서 배운다는 사고방식이 지극히 다양한 분야·영역에 있어서 각각 독립적으로 전개되고 있어, 그 명칭과 표기가 너무 많기 때문으로 추정된다.

바이오미메틱스의 국제 표준화에서는 생물의 구조 및 기능의 발현 원리를 밝혀, 공학적으로 재현하는 것으로 정의되고 있으며, 실시 사례 및 최적화 기법, 생물에서 공학으로의 기술 이전을 위한 지식 기반 등에 관한 논의가 이뤄져, 3개의 국제 표준이 발효되고 있다. 그러나, 연구 분야 및 영역에 있어서 명칭이나 표현의 차이에 대해 기술 위원회에서의 공식 논의는 이루어지지 않고 있다. 참고로, 국제 표준화 제안의 모태인 독일의 BIOKON은 2004년에 설립된 Bionik-Kompetenznetz이며, 역사적으로는 바이오닉스의 계보를 이으면서도, 영어로는 Biomimetics Network of Excellence로 표기하고 있다.

2. 바이오미메틱스의 역사와 전개
‘설계와 제어’의 분야에 있어 ‘생체모방’으로서 친숙한 단어는 1950년대에 미국 국립항공우주국(NASA)의 잭 스틸 씨가 명명한 바이오닉스(Bionics)이며, 이는 생체공학으로 번역되는 경우가 많다. 생물의 감각과 행동의 관찰을 통해 정보 처리와 제어 구조를 해명하고, 신경정보공학 및 의용생체공학 등의 공학적 응용을 목표로 하는 분야이며, 노버트 위너 씨의 사이버네틱스(Cybernetics)의 맥락을 이어받은 것이다. 미국에서는 1960년에 제1회 Symposium on Bionics가 개최되었으며, 일본에서도 1962년의 ‘일본 ME학회(현 일본생체의공학회)’의 설립을 시작으로, ‘일본 바이오메커닉스학회(전신은 키네시오로지 (Kinesiology)연구회)’ ‘일본신경회로학회’ 등의 관련학회가 설립되었다. 생체공학은 임상의학연구의 색채가 강하다.

위너가 쓴 ‘사이버네틱스’의 부제가 ‘동물과 기계에 있어서의 제어와 통신’이였던 것도 영향을 미쳐, 1970년에는 ‘일본기계학회’에 ‘생물기계공학연구회’가 설치되어, 1987년에는 바이오메커니컬엔지니어링, 바이오메디컬엔지니어링’ 및 바이오테크놀로지를 의학·생명학과 기계공학의 융합연구 분야로 하는 ‘바이오엔지니어링 부문’으로 개편되었다. 또한 1997년에는 비상과 유영에 특화된 ‘’에어로아쿠아바이오메커니즘연구회(2011년부터 학회에 개칭)’가 설립되었다.

‘기계계(系) 바이오미메틱스’로 칭해야 할 분야에서는 박쥐나 돌고래의 반향정위(Echolocation)나 곤충의 감각 털을 모방한 소나와 레이더 등의 센서, 곤충의 비상과 물고기들의 수영, 뱀의 사행 등을 본뜬 로봇들이 개발되고 있다.

미국 국방부 국방고등연구계획국(DARPA)의 Nano Air Vehicle프로그램에서 개발된 AeroVironment사의 벌새형 정찰용 로봇은 최근에는 멀티콥터의 총칭으로 쓰이는 Drone(드론)이며, 보스턴 다이나믹스 사는 BigDog라는 하역용 사족 보행 로봇, 시속 25km로 자율주행하는 WildCat 등을 개발하고 있다. 떼를 지어 헤엄치는 무리 속에서 부딪치지 않는 물고기의 행동 패턴에 힌트를 얻어 집단 주행하는 닛산의 로봇카 ‘EPORO’는 자율주행차 개발의 선구적인 존재이다.

‘기계계 바이오미메틱스’ 연구의 조류는 센서, 엑추에이터, 컨트롤러 등의 첨단 기술 분야뿐만 아니라, 친환경 가전제품 개발에도 영향을 주고 있다. 500계 신칸센의 선두 형상이 물총새의 부리 형상을 모방하여 유체 저항을 저감하는 것(‘터널 미기압파’로 불리는 소음 억제)이나, 팬터그래프에 올빼미의 날개 구조를 적용함으로써 방음 효과를 얻을 수 있다는 것은 잘 알려져 있다.

한편, 바이오미메틱스(Biomimetics)라는 용어가 사용된 것은 1950년대이다. 신경의 신호 처리를 모방함으로써 입력 신호로부터 노이즈를 제거해, 구형파로 변환하는 전기 회로인 ‘슈미트 트리거’를 발명한 신경생리학자인 슈미트가 처음 사용한 표현이다. 새로운 연구 영역에 바이오미메틱을 사용한 것은 유기화학자와 고분자화학자였다.

1935년에 듀폰(Du Pont)사의 캐러더스가 발명한 폴리아미드인 나일론은 폴리 펩티드 구조를 지닌 견사를 모방한 합성 섬유이다. 나일론에 한정되지 않고 섬유산업은 천연 섬유에서 시작해, 합성 섬유의 개발에 이르는 고분자과학의 역사를 지니며, ‘분자계 바이오미메틱스’로서 분류되어야 하는 연구 개발 흐름의 저류를 이루고 있다.

1970년대가 되어, 체계화된 학술 분야로서 최초로 발흥하는 Biomimetic Chemistry는 세계적인 연구의 조류가 되어, 1980년대에 한층 더 활발해진 인공 광합성 연구는 색소 증감형 태양전지의 기초를 밝히고, 인공 근육을 의식한 겔 액츄에이터의 연구는 소프트 머티리얼의 기초가 되었다.

분자 생물학의 큰 전개에 의해서 유전자를 중심으로 생명 현상을 규명하려는 연구가 생물학의 주류가 되고 있는 가운데, ‘분자계 바이오미메틱스’ 연구의 조류는 1980년대 후반의 분자일렉트로닉스의 등장과 맞물려 1990년대에는 인텔리전트 재료 및 스마트 재료 등을 뒷받침하는 초분자화학의 기반인 분자나노테크놀로지로 전개된다.

3. 바이오미메틱스에서 에코미메틱스로
금세기 초두의 나노 테크놀로지와 박물학의 콜라보레이션에 의한 생체모방 기술의 새로운 전개에 있어서 일본의 문부과학성의 대형 프로젝트인 ‘생물 다양성을 규범으로 하는 혁신적 재료 기술(생물 규범 공학)’이 출범한 것은 2012년이다.

프로젝트명에 생물 다양성을 붙인 것은 2010년에 나고야에서 개최된 생물 다양성 조약 제10회 체결국 회의(CBD-COP10) 개최를 위해서 발표한 일본 경제단체 연합회 생물 다양성 선언에 바이오미미크리(Biomimicry)가 명기되어, 아이치(愛知) 목표 달성의 구체적인 해결책으로 자리매김한 것도 그 배경에 있다. “바이오미미크리는 생체모방이 환경 문제의 해결책이어야 한다”라고 미국 생태학자 베니어스가 명명한 용어다.

경제단체연합회가 생체모방에 주목한 배경에는 2008년에 본(Beaune)에서 개최된 CBD-COP9의 독일 정부의 동향도 있다. 생태계와 생물 다양성의 경제학(TEEB:The Economics of Ecosystems and Biodiversity)을 실천하고자, ‘비즈니스와 생물 다양성 주도권’인 ‘Biodiversity Good Company’가 조직되었다.

출범 당시, HP의 서두에는 연잎을 통해 습득한 발수 기술, 상어 피부를 통해 습득한 공력(空力) 기술 등, 생물 다양성을 통해 생체모방 기술의 새로운 전개를 가져온 것이 명기되어 있었다. 이와 같은 배경으로, 독일에서 생체모방의 국제 표준화 제안이 이루어졌으며, 2011년에 ISO TC266 Biomimetics가 출범했다.

생물규범공학 프로젝트에서는 일본이 타 분야와의 연계의 필요성을 인식해, ‘정보학에 의한 생물에서 공학으로의 기술 이전’을 목표로 타 분야 제휴 플랫폼을 구축함과 동시에, TC266에 Knowledge infrastructure of biomimetics에 관한 워킹 그룹의 시설을 제안해 승인을 얻었다.

각각의 생물의 모방에서 시작된 바이오미메틱스는 이제는 생물 다양성에 의해 구축되는 생태계를 모방 대상으로 하는 시스템 전체의 발상으로 전환되어, 제약이 있는 환경에서 지속 가능한 ‘모노즈쿠리(제조)’나 ‘도시 구축’의 기술 혁신을 가져다 줄 히든 카드로 기대를 모으기 시작했다. 오존홀 연구에서 1995년 노벨 화학상을 수상한 폴 크루첸이 제창한 ‘인류세(Anthropocene)’로 상징되듯이, 이제는 인류의 활동이 지구 환경을 어지럽혀, 그 흔적이 지층에 남게 되는 시대이다.

2019년 7월 브류셀에서 "The next industrial revolution will come from nature."이란 EU의 워크숍이 개최되어, "자연계에서 이용되고 있는 물질과 구조 그리고 생산 프로세스를 지속 가능한 미래를 위한 제조업에서 어떻게 사용할 것인가?"라는 시점을 바탕으로 논의를 실시, 제조업의 순환형 경제화에 있어서 Bio-inspire, Bio-integration, Bio-intelligence를 발전 단계(바이오미메틱스와 바이오테크놀로지와 디지털 기술의 통합한 Biological Transformation(BX)을 기반으로 한 생산 전략의 중요성이 제창되었다.

프랑스에서도 CEEBIOS가 중심이 되어 제창한 바이오미메티즘으로 불리는 종합적 활동이 모든 산업 영역에 있어서 중요하다는 것이 프랑스 전략청이 2020년에 공개한 전략 보고서에서도 찾아볼 수 있다.

이에 따라서, 각각의 생물의 모방이었던 바이오미메틱스는 ‘생물 다양성과 환경(흙, 물, 대기)에 상호 작용하는 계층적인 복잡계 자율분산 네트워크 시스템’인 생태계(에코 시스템)를 모방하는 에코미메틱스로의 변혁적 변화(Transformative change)를 이루게 된다.

4. 에코미메틱스를 지탱하는 계측과 제어 –
~ 충감학(蟲瞰学; 지속 가능한 농업을 창출하는 바이오미메틱스에 있어서의 농학·생물학(자연사학)·공학의 연계)

인류가 최초로 자연을 움직인 기술 체계는 ‘농업’이며, 그것은 자연 실험의 원점이기도 하며 ‘계측과 제어’가 요구된다. 농업에 있어서 ‘계측과 제어’의 최대 목적은 생산성 향상이며, 일류에게 있어서 바람직한 것이지만, 한편으로는 인공 비료에 의한 토양 열화(劣化) 및 농약에 의한 생물 다양성의 열화를 가져오는 딜레마를 안고 있다.

최근 Agriculture 4.0이나 스마트 농업에서 볼 수 있는 드론을 사용한 조감적인 포장(圃場) 관리 및 환경 모니터링, IoT나 로봇에 의한 성(省)전력화, 폐쇄계 에코 시스템으로서의 식물공장 등의 선진적 농업에 의한 환경보호의 트렌드는 존재하지만, 그 동향은 ‘생산성 향상과 환경 파괴의 딜레마’를 해소시켜, SDGs가 내걸고 있는 지속 가능한 소비와 생산 과제를 해결할 수 있지 않을까?

인류세를 가져온 ‘인간의 기술 체계’의 근본적인 건전화를 목표로 하기 위해서는 자연은 ‘인간’과 ‘인간이 아닌 존재’로 구성되어 있다는 것을 다시 한번 생각해 볼 필요가 있다. 농업에 있어서의 계측 대상에는 곤충이 있으며, 거기에는 해충과 익충도 포함된다.

이 분류는, 인간의 시점에 근거한 것이다. 자연 공생을 목표로 하는 농업을 위한 자연 실험법에 있어서는, ‘인간이 아닌 존재’의 입장(움벨트)에서 관찰하고 계측하는 것이 요구되지 않을까?

에코미메틱스가 목표로 하는 것은 자연 공생을 가능하게 하는 지속 가능한 생산 및 도시 구축이다. 지금까지 상상하지도 못했던 ‘충감(蟲瞰)’이라고 부르는 ‘곤충의 세계관’에 시점을 둠으로써 스마트 농업 및 식물 공장 등을 포함한 기존의 농업이 가지고 있는 딜레마를 검토하는 것에 있다.

참고로 ‘충(蟲)’이라는 한자는 단순히 곤충을 가리키는 것이 아니라, ‘세상의 모든 생물’을 가리키고 있다. ‘계측과 제어’를 기반으로 하는 ‘충감학에 기반한 에코미메틱스는 자연 공생과 순환형 경제를 가능하게 하는 이노베이션을 충분히 해낼 수 있을 것으로 보인다.

 -- 끝 --