엔지니어들이 자연에서 영감을 받아 3D 프린팅 물 여과 솔루션을 설계하다

자연은 언제나 전 세계의 엔지니어, 건축가, 기술 연구원, 과학자들에게 영감을 주어 왔습니다. 새는 우리의 비행 기술에 영감을 주었고, 대초원 생태계는 인류가 보다 지속 가능하고 효율적인 농업 시스템을 개발하도록 격려했습니다. 꽃의 나선형 흐름은 효율적인 물 혼합 시스템에 영감을 주었으며, 부시드 씨앗은 벨크로에 영감을 주었습니다. 그 목록은 끊임없이 이어집니다!

이제 MIT 엔지니어들이 모불라 가오리의 독특한 여과 섭식 기술과 특수 구조가 보다 효율적인 산업용 물 필터에 영감을 줄 수 있음을 보여주는 과학 보고서가 발표되었습니다. 

발견에 대해 더 깊이 파고들기 전에, 먼저 모불라 가오리에 대해 간략히 살펴보겠습니다.

모불라 가오리란 무엇인가?

그들의 곡예 같은 도약 때문에 날아다니는 가오리라고도 불리는 모불라 가오리는 크고 평평하며 다이아몬드 모양의 몸체와 긴 지느러미를 가지고 있어 물속은 물론 공기 중에서도 활공할 수 있습니다. 이 물고기들은 정기적으로 무리를 지어 바다 밖으로 뛰어올라 공중으로 몸을 날리며, 물에서 약 2미터 정도 뛰어오른 뒤 물보라와 함께 다시 떨어집니다.

자연사 박물관이 지적하듯 모불라 가오리는 여과 섭식을 하는데, 입을 이용해 물속의 플랑크톤을 걸러내며 대규모 무리를 이루어 함께 모입니다. 하지만 이들이 3D 프린팅 물 여과 솔루션 설계에 어떻게 영감을 줄 수 있을까요? 다음 섹션에서 논의하겠습니다.

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물 여과를 위한 모불라 가오리 따라가기

모불라 가오리 여과 장치는 산업용 교차 흐름 필터와 유사하지만 다른 매개변수 영역에서 작동합니다. 산업용 교차 흐름과 모불라 여과 사이의 격차를 메우기 위해 연구원들은 누출 채널에서 투과성‑선택성 트레이드오프를 위한 보편적인 프레임워크를 구축했습니다.

연구원들은 모불라 여과기의 기하학이 호흡과 섭식을 균형 있게 수용하도록 진화했으며, 전통적인 여과 영역을 넘어서는 설계 원리를 도출했다고 주장합니다. 그 결과 모불라 영감을 받은 여과 장치가 만들어졌습니다. 

이 모든 것이 복잡한 바이오모방 분야의 연습처럼 들릴 수 있지만, 모불라 가오리를 조금 더 자세히 살펴보면 메커니즘을 따라가기 쉽습니다. 모불라 가오리는 입을 크게 벌리고 플랑크톤이 풍부한 해역을 헤엄치며 물이 입으로 들어오고 아가미를 통해 나가면서 플랑크톤 입자를 식도에 걸러냅니다.

모불라 가오리 입의 바닥은 양쪽에 평행한 빗 모양 구조인 플레이트가 있어 물을 아가미로 빨아들입니다. 바로 이 플레이트가 현재 논의 중인 연구의 핵심입니다.

MIT 연구팀은 이 플레이트의 치수가 들어오는 플랑크톤이 플레이트를 가로질러 가오리의 공동 내부로 더 깊이 이동하게 하고, 아가미를 통해 빠져나가지 않게 할 수 있다고 밝혔습니다. 또한 모불라 가오리의 아가미는 흐르는 물에서 산소를 흡수하여 섭식과 동시에 호흡을 돕습니다.

연구에 따르면 MIT의 파팔라르도 교수인 Anette “Peko” Hosoi는 다음과 같이 말했습니다:

“우리는 (연구원들이) 모불라 가오리가 이 플레이트의 기하학을 섭식과 호흡을 균형 있게 맞추기에 완벽한 크기로 진화시켰음을 보여줍니다.”

연구원들은 모불라 가오리의 플랑크톤 여과 특성을 반영한 물 필터를 설계했습니다. 이후 3D 프린팅된 플레이트와 유사한 구조를 필터에 적용했을 때 물 흐름이 어떻게 변하는지 조사했습니다. 이러한 실험 결과는 산업용 교차 흐름 필터를 최적화하기 위한 설계도에 반영되었습니다. 이 설계도는 모불라 가오리와 구성상 크게 유사합니다.

주도 연구자이자 MIT 박사후 연구원인 Xinyu Mao는 다음과 같이 말했습니다:

“우리는 전통적인 교차 흐름 여과의 설계 공간을 모불라 가오리로부터 얻은 새로운 지식으로 확장하고자 합니다.”

확장의 성격을 설명하면서 연구자는 다음과 같이 말했습니다:

“사람들은 모불라 가오리의 매개변수 영역을 선택함으로써 전체 필터 성능을 잠재적으로 향상시킬 수 있습니다.”

그들만의 모불라 가오리 영감을 받은 필터 설계에서 연구팀은 간단한 필터를 만들었습니다. ‘누출 채널’이라고 알려진 이 설계는 측면에 구멍이 뚫린 파이프와 유사합니다. ‘채널’의 구체적 구조를 설명하면, 두 개의 평평한 아크릴 플레이트 사이에 약간의 틈을 두어 유체가 흐를 수 있게 했습니다. 채널 한쪽 끝에 연구원들은 모불라 가오리 입 안의 홈이 있는 플레이트를 모방한 3D 프린팅 구조물을 배치했습니다.

그들은 채널을 통해 물을 다양한 속도로 펌핑하며 실험했습니다. 흐름을 시각화하기 위해 색소를 첨가했습니다. 흐름 속도가 증가하면 물이 각 홈 입구에서 와류를 생성해 입자를 통과시키지 못하고 채널 내부로 밀어내었습니다.

모불라 가오리가 일반적으로 하는 일은 적절한 속도로 헤엄쳐 가장 작은 플랑크톤 입자까지도 포획하는 와류를 생성하고, 나머지 물은 아가미를 통해 배출하도록 하는 것입니다. 이 통찰은 산업용 교차 흐름 필터를 최적화하기 위한 이상적인 설계도에 핵심이 되며, 실용적인 필터 설계 개선 지침을 제공합니다.

1. Ford

세계에서 가장 존경받는 자동차 브랜드 중 하나인 포드는 꿀벌에서 영감을 받아 신형 에코스포츠 SUV용 경량이면서도 강한 벌집형 화물 선반을 설계했습니다. 포드 에코스포츠는 100% 재활용 종이 벌집으로 만든 고강도 조절식 화물 바닥판을 적용해 소형 SUV 고객이 적은 자원으로 더 많은 일을 할 수 있게 했습니다.

천연 종이와 수성 접착제로 제작된 6파운드(약 2.7kg) 무게의 벌집 바닥판은 친환경적일 뿐만 아니라 약 700파운드(약 317kg)의 화물을 견딜 수 있을 만큼 강했습니다. 원래 꿀벌에서 유래한 이 바이오모방 기술은 50년 전 가정용 문 제조에 처음 도입되었습니다. 

그들의 자동차에 자연 영감을 받은 디자인에 대해 이야기하면서, 포드 에코스포츠 부수석 엔지니어인 마이크 맥스젤라가 다음과 같이 말했습니다:

“벌집의 육각형 디자인은 자연의 독창성을 증명합니다. 강할 뿐만 아니라 매우 가볍습니다. 고객은 선반을 오븐 랙처럼 여러 슬롯에 끼울 수 있고, 좌석 뒤에도 보관할 수 있습니다. 이는 에코스포츠를 일상 사용에서 매우 유연하게 만들어 줍니다.” 

에코스포츠 선반은 무게가 겨우 6파운드에 불과했지만, 38.5인치 × 25.25인치(약 97.8cm × 64.1cm) 면적에 걸쳐 약 700파운드를 견딜 수 있도록 평가되었습니다. 즉, 이 선반 하나로 콘크리트 혼합제 5봉(각 94파운드), 대형 토양 봉투 4개(각 40파운드), 물 8갤런(각 약 8파운드) 등 무수히 많은 무거운 물품을 조합해 실을 수 있습니다.

포드는 언제나 자연의 기능에 주목해 제품을 더 좋고 효율적이며 견고하게 만들 방법을 모색해 왔습니다. 거의 10년 전인 2015년에 회사는 체계적으로 바이오모방을 탐구하기 시작했습니다. 포드는 바이오모방 연구소의 지원을 받아 새로운 접착제를 만들기 위해 프록터 앤드 갬블과 연구 파트너십을 발표했으며, 이 연구소는 자연 영감 솔루션 채택을 옹호하는 비영리 단체입니다.

이러한 파트너십의 중요성에 대해 이야기하면서, 바이오모방 연구소의 전무 이사 베스 라트너는 다음과 같이 말했습니다:

“저는 포드와 같은 기업이 ‘우리는 이것이 더 좋고 지속 가능한 디자인이라서가 아니라, 사람들에게 자연 유기체에 더 많은 관심을 갖게 하려는 목적’이라고 말하는 것이 중요하다고 생각합니다.”

2015년에 포드는 토카이 도마뱀붙이의 발바닥을 연구해 새로운 접착제를 만들려 시도했습니다. 이 발바닥은 도마뱀이 천장과 유리창을 가로질러 달릴 수 있게 해줍니다. 포드는 이 기술을 활용해 차량이 금속 부품을 제거한 뒤 남는 플라스틱과 폼을 보다 효율적으로 분리함으로써 재활용률을 최대 10%까지 높일 수 있는 기회로 보았습니다.

당시 포드의 플라스틱 및 지속 가능성 연구 선임 기술 책임자였던 데비 미엘레프스키는 다음과 같이 말했습니다:

“우리가 그것을 분리할 수 있다면, 다양한 흐름을 식별할 수 있다면, 고부가가치 응용 분야에 활용할 가능성이 훨씬 높아집니다.”

포드가 계속해서 자연에서 영감을 얻는 한, 재무 및 매출 측면에서도 좋은 성과를 내고 있습니다. 회사는 2024년 9월 30일 종료된 분기에 462억 달러의 매출을 기록했으며, 성장률은 5.47%였습니다. 이는 최근 12개월 매출을 1,827억 달러로 끌어올렸으며, 전년 대비 4.89% 증가한 수치입니다. 2023년에는 연간 매출이 1,761억 달러였으며, 성장률은 11.47%였습니다.

2.  The Procter and Gamble Company

자연으로부터 더 나은 제품 배합 원리를 배우는 최전선에 있는 또 다른 주요 기업은 프록터 앤드 갬블입니다. 2024년에 프록터 앤드 갬블은 AI 기반 단백질 설계를 위한 유전적 생물다양성 매핑 업체인 베이스캠프 리서치와 파트너십을 맺어 저온 물 환경에 적합한 고성능 세정 효소 개발을 가속화했습니다.

이 파트너십은 추운 환경에 적응한 유기체로부터 배워 AI를 활용해 냉수 세탁 성능을 향상시킨 새로운 효소를 설계하고자 했습니다. 파트너십의 목적과 P&G가 얻고자 하는 가치에 대해 이야기하면서, P&G의 세탁 연구개발 수석 이사인 필립 소터 박사는 다음과 같이 말했습니다:

“우리는 베이스캠프 리서치와 협력하게 되어 기쁘며, 그들의 독특한 자연 관점과 AI 역량을 우리의 풍부한 혁신 전문성과 결합해 소비자에게 뛰어난 경험을 제공하고자 합니다.”

P&G는 베이스캠프 리서치가 수백만 유기체의 유전적 생물다양성을 이해하는 능력을 활용해 저온 세탁 시 효율성을 높이고 온수 사용을 줄여 환경과 난방비 절감에 기여하는 구체적인 계획을 가지고 있습니다.

프록터 앤드 갬블은 또한 뱀과 거머기로부터 통찰을 얻어 더 나은 세제를 설계한 Biomimicry 3.8의 연구에도 영감을 받았습니다. Biomimicry 3.8은 자연 친화적 디자인과 혁신에 중점을 둔 세계 최고 수준의 컨설팅 및 전문 교육 회사입니다.

Biomimicry 3.8의 연구 중 하나는 세탁 제품의 얼룩 제거 효능을 향상시키는 것이었습니다. 생물학적 세계의 깊은 패턴에 주목한 결과, Biomimicry 3.8은 섬유에서 혈흔을 제거하는 어려운 문제를 해결할 수 있는 30가지 독특한 생물학적 전략을 확인했습니다. 연구는 뱀과 거머기가 혈액을 소화할 수 있는 여러 유기체 중 하나이며, 가장 강력한 얼룩 원인 중 하나임을 조사했습니다.

이들 유기체와 그 외 다수는 염소, 폐수, 에너지 사용을 제한할 수 있는 솔루션 설계에 귀중한 교훈을 제공했습니다. 이 연구 덕분에 P&G의 R&D 부서는 전체 연구 방향을 전환했습니다. 수석 과학자인 유세프 아우아드 박사는 이 작업이 혈흔 제거를 위한 연속 단계에 대한 개념적 이해를 제공하는 혈흔 모델을 팀에 제공했다고 말했습니다.

“하지만 가장 중요한 점은, 이제 모델이 왜 현재 우리의 효소가 혈흔 제거에 부족한지 되돌아보게 만든다는 것입니다.”

– Yousef Aouad

자연으로부터 배우고 지속적으로 영감을 얻음으로써 회사의 제품 라인업과 다양성이 꾸준히 성장했습니다. 회사 매출은 순매출이 2020년 710억 달러에서 2024년 840억 달러로 꾸준히 증가했으며, 영업이익도 157억 달러에서 185억 달러로 상승했습니다.

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자연 영감을 받은 디자인의 미래

기업들은 디자인이 지속 가능하고 친환경적이며 가용 자원을 최적화하고 다양한 기후 조건에 적응할 수 있는 유연성을 갖추고 있기 때문에 자연에서 영감을 얻는 데 점점 더 관심을 보이고 있습니다. 

가장 최근에 그리고 매우 인기 있는 자연 모방 디자인 사례 중 하나는 메르세데스 벤츠가 박스피시의 뛰어난 구조적 강도와 낮은 질량에서 영감을 받아 바이오닉 카를 개발한 것입니다. 이 차량은 항력 감소와 동시에 높은 강성, 저중량, 그리고 전통적인 자동차보다 현저히 낮은 연료 소비를 보이는 것으로 보고되었습니다. 

일본에서는 킹피셔 새에서 영감을 받아 초고속열차 디자인이 이루어졌습니다. 공기와 물 사이를 거의 물방울 없이 이동하는 마스터인 킹피셔는 신칸센 초고속열차의 길고 부리 모양의 앞부분 디자인에 영감을 주었습니다. 이 디자인은 열차 소음을 크게 줄이고 전력 소비를 15% 절감했으며, 이전보다 10% 더 빠르게 운행되었습니다.

거의 20년 전, 또 다른 MIT 연구팀은 동전 크기의 딱정벌레에서 영감을 받은 새로운 물질을 개발했습니다. 이 물질은 초소수성(물 방수) 표면과 초친수성(물 흡착) 돌기를 결합해 물방울을 포획하고 물 흐름을 제어합니다. 

새로운 물질의 잠재적 적용 분야로는 물 수확, 실험실 칩(진단 및 DNA 스크리닝용), 마이크로플루이딕 장치 및 냉각 장치 등이 있습니다.

바이오모방의 역사는 인류 문명만큼 오래되었습니다. 이러한 사례는 엔지니어링뿐만 아니라 건축에서도 찾아볼 수 있습니다. 건축에서 바이오모방은 보다 지속 가능하고 효율적인 건물을 설계하는 데 자연에서 영감을 받아 에너지 효율적이며, 생태기후적이고, 지속 가능하고, 적응 가능하며, 회복력 있는 건축을 구현합니다. 

하지만 바이오모방을 보다 효율적인 프로세스로 만들기 위해서는 도구가 더욱 효과적이어야 합니다. 디자이너들에 따르면, 선택할 수 있는 바이오모방 도구가 부족하지 않지만, 대부분의 바이오모방 도구는 개념을 생성하고 이를 바이오모방 분야에서 잠재적 응용으로 매핑하는 데 도움을 주지만, 이러한 도구는 생물학적 개념을 제조 가능한 프로토타입으로 전환하는 실질적인 조언을 거의 제공하지 못합니다.

그러나 일상 생활에 자연 기반 디자인을 도입하도록 돕는 기술에 대한 투자가 눈에 띄게 증가하고 있습니다. 추정에 따르면 전 세계 바이오모방 기술 시장은 2017년 68억 달러에서 2028년 185억 달러로 성장할 수 있습니다. 

과거에는 기술과 기계의 목적이 반복적이고 일상적인 작업을 자동화하여 우리의 삶을 단순화하는 것이었습니다. 오늘날 기술은 지속 가능성을 목표로 하여 가용 자원을 신중히 사용하고 탄소 배출 측면에서 지구에 미치는 영향을 최소화해야 합니다.

자연 영감을 받은 디자인은 기술을 보다 효율적으로 만드는 훌륭한 방법이 될 수 있습니다. 이러한 자연 영감 디자인의 특징은 앞으로 더 많은 관심과 투자를 끌어올릴 것입니다.

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