비너스 플라워 바스켓 유리 해면을 통한 항공 및 유체 역학 재구상

유리 해면은 일반적으로 심해에서 발견되며 Hexacitinellida 목에 속합니다. 이들은 조직이 실리카로 만든 유리와 같은 구조 입자로 이루어져 있어 그 이름이 붙여졌습니다. 

유리 해면의 골격은 진화적 메커니즘으로, 다양한 화학 물질과 자연스럽고 유기적으로 결합함으로써 심해 포식자와 싸우는 데 도움을 줍니다. 

의심할 여지 없이 정교한 유리 해면은 단단한 표면에 붙어 살아가며 주변 물에서 걸러낸 작은 박테리아와 플랑크톤을 섭취합니다. 

일부 종은 아름다운 패턴으로 융합된 상당히 큰 스피큘을 만들어 유리 집을 형성할 수 있습니다. 이러한 골격 구조는 해면이 죽은 후에도 살아있는 듯 보이며, 여러 심해 동물들이 이 구조를 서식지로 이용해 과학자들을 매료시킵니다!

가장 잘 알려진 유리 해면

심해에 서식하는 모든 유리 해면 중에서, 유플렉텔라 속에 속하는 비너스 플라워 바스켓은 특히 잘 알려져 있습니다. 이 해면은 골격이 특정 갑각류 종을 평생 잡아두도록 진화했으며, 그 갑각류는 번식하고 새끼는 자신만의 새로운 플라워 바스켓을 찾습니다. 일반적으로 이 해면은 수컷과 암컷 두 마리의 작은 새우와 같은 스테노포디아에게 평생 서식지가 됩니다. 

이러한 자연 서식지 역할은 비너스 플라워 바스켓 유리 해면을 항상 호기심의 대상이 되게 했습니다. 이러한 호기심은 이제 연구자들이 이 동물의 또 다른 놀라운 특징, 즉 펌프 없이 여과 섭식을 할 수 있는 능력을 발견하게 했습니다.

비너스 플라워 바스켓 해면에 의한 자연 ‘제로 에너지’ 흐름 제어

이 고대 동물들이 타고난 놀라운 능력 중 하나는 펌프 없이 여과 섭식을 할 수 있다는 것으로, 이는 오직 심해의 미약한 주변 흐름에만 의존합니다. 하지만 어떻게 가능한 걸까요? 로마 토르 베르가타 대학과 NYU 탠던 공대 연구팀이 이를 조사했습니다. 극히 고해상도 컴퓨터 시뮬레이션을 사용해 비너스 플라워 바스켓 해면의 골격 구조를 분석했습니다. 그 결과는 말할 것도 없이 충격적이었습니다. 또한 이는 다양한 공학 응용 분야에 놀라운 잠재력을 가지고 있습니다. 

실험의 획기적인 성격을 설명하면서, NYU 탠던 연구소 교수이자 도시 과학 + 진보 센터(CUSP) 소장인 마우리치오 포르피리(Maurizio Porfiri) 교수는 연구를 공동 주도하고 공동 지도한 뒤 다음과 같이 말했습니다:

“우리 연구는 최근 몇 년간 제기된 논쟁을 해결합니다: 비너스 플라워 바스켓 해면은 능동적인 펌핑 메커니즘 없이도 수동적으로 영양분을 끌어들일 수 있습니다. 이는 일반적인 현탁 섭식에 적합하지 않은 흐름에서도 이 여과 섭식자가 번성할 수 있게 하는 놀라운 적응입니다.”

본질적으로, 이 유리 해면 동물들은 독특한 골격 구조를 이용해 심해의 초저속 흐름을 전환시켜 물을 중앙 체강으로 위로 유도합니다. 이 메커니즘은 해수에서 플랑크톤 및 기타 해양 잔해를 걸러내어 해면이 음식으로 사용합니다. 해면 골격의 나선형, 능선이 있는 외부 표면은 나선형 계단처럼 작동하여, 다공성 격자형 프레임을 통해 물을 펌프 에너지 없이 위로 끌어올립니다.

유리 해면의 가장 눈에 띄는 특성은 자연 환기이며, 이는 심해 바닥의 거의 정지 상태에서도 완벽히 작동합니다. 이것이 바로 이 심해 종들이 거친 환경에 적응하고 매우 느린 흐름에서 수동적으로 먹이를 끌어들이도록 진화한 방식입니다.

로마 토르 베르가타 대학의 지아코모 팔쿠치(Giacomo Falcucci)에 따르면:

“해면은 완전히 수동적인 메커니즘만으로 영양 공급을 극대화하는 우아한 해결책에 도달했습니다.”

이러한 놀라운 통찰에 도달하는 것은 쉽지 않았습니다. 연구자들은 현상을 가장 세밀하게 이해할 수 있는 적절한 시설을 구축하는 데 몇 년이 걸렸습니다.

연구 목표 달성에 도움을 준 시설

연구자들은 이탈리아 최대의 컴퓨팅 센터이자 전 세계적으로 중요한 시설 중 하나인 비영리 컨소시엄 CINECA의 레오나르도 슈퍼컴퓨터를 활용했습니다. 

이 강력한 슈퍼컴퓨터는 연구자들이 해면의 정교한 나선형 능선 구조를 1천억 개의 개별 점으로 재현한 실감 나는 3D 복제물을 개발하도록 도왔습니다. 레오나르도의 방대한 연산 능력 덕분에 초당 수조 번의 계산을 수행하여 다양한 물 흐름 속도와 조건을 시뮬레이션할 수 있었습니다.

참여 연구자들에 따르면, 이번 연구 결과는 많은 혁신적인 공학 솔루션으로 이어질 수 있습니다. 아래에서는 그러한 혁신적인 아이디어 몇 가지를 요약했습니다. 

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연구의 실제 적용 가능성

우리가 논의하고 있는 이 연구의 전신은 같은 팀이 수행한 2021년 연구입니다. 그 연구에서 팀은 비너스 플라워 바스켓 해면이 인공 구조물을 어떻게 개선할 수 있는지에 초점을 맞췄습니다. 팀은 해면 기하학이 유체 흐름에 대응하는 역할을 조사함으로써 초고층 건물 및 다양한 기계 구조물 설계에 많은 함의를 가진다고 믿었습니다. 여기에는 초고층 빌딩, 선박용 저항 구조물, 심지어 항공기 동체까지 포함됩니다. 

로마 토르 베르가타 대학의 지아코모 팔쿠치에 따르면, 2021년 유리 해면 실험은 다음과 같은 질문에 답하는 데 도움을 주었습니다:

“유사한 능선과 구멍의 격자를 가진 초고층 건물에서 공기역학적 항력이 감소할까요? 적용된 힘의 분포를 최적화할 수 있을까요?”

현재 연구는 유리 해면의 생체공학적 측면을 더 깊이 탐구함으로써, 흐름 패턴을 최적화하고 외부 항력을 최소화한 보다 효율적인 반응기를 설계하는 데 도움이 될 수 있습니다.

유리 해면의 능선과 다공성 표면의 내부 공학 원리를 적용하면 초고층 빌딩 및 기타 구조물의 공기 여과 및 환기 시스템을 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어 비대칭 나선형 능선은 내부 기류를 촉진하면서도 유선형을 유지하는 저항 선체나 동체에 영감을 줄 수 있습니다.

2021년부터 2024년까지 비너스 플라워 바스켓 해면에 대한 연구는 지속되었으며, 이 생체공학적 경이로움이 어떻게 더 많은 실제 적용을 촉발할 수 있는지 계속 밝혀냈습니다. 

자연을 디자인 영감으로 활용함으로써 많은 기업이 효율성을 높이고 최적화를 도입하는 데 도움이 되었습니다. 

#1. 메르세데스 벤츠의 바이오닉 자동차

2024년 3월, 메르세데스 벤츠는 자신의 최신 모델인 Vision EQXX의 디자인 철학을 설명하면서 다음과 같이 말했습니다:

“경량 구조에 관해서는, 자연이 여전히 최고의 롤모델입니다: 복어부터 북극제비까마귀까지—많은 동물들이 최소한의 에너지 소비로 이동 경로를 여행할 수 있도록 최적의 몸 형태와 기타 능력을 진화시켰습니다. 최대 효율성은 Vision EQXX를 만든 기술 프로그램의 핵심 원칙이었으며, 그래서 차체 구조의 일부가 자연 형태와 바이오닉 디자인 원칙을 기반으로 설계되었습니다.”

회사는 이 생체 영감을 받은 재료 사용 철학을 Bionicast 프로세스라고 명명했습니다. 이 접근법은 하중 경로가 필요한 부분에만 재료를 사용하도록 권장합니다. 그 결과, 바이오닉 요소는 지속적으로 두께가 변하고 골격을 닮은 개구부를 갖게 됩니다. 

회사는 생체 영감을 받은 디자인 철학이 고기능성 및 콤팩트한 제품을 만들었으며, 무게를 크게 줄였다고 믿습니다. 예를 들어, 차량 뒷바닥의 바이오닉 디자인만으로도 무게와 재료를 15-20% 절감했습니다. 와이퍼 모터 브래킷도 20%의 무게 이점을 가지고 있습니다.

우수한 공기역학으로 알려진 메르세데스-벤츠 바이오닉 자동차는 2005년 6월 워싱턴 DC에서 처음 공개되었습니다. 그 이후로 지속적으로 진화하며 자동차 커뮤니티에서의 관련성과 위상을 유지해 왔습니다. BIONICAST의 혁신적인 개발 프로세스는 2022년 Material Design + Technology Award에서 ‘Best of Process’ 부문을 수상했습니다. 2039년까지, Bionicast의 자원 소비 감소 원칙과 경량 구조 잠재력을 활용하여 메르세데스 벤츠는 신차 라인업 전체 가치 사슬에서 순 탄소 중립이라는 궁극적인 목표를 달성하고자 합니다.

2023년, 메르세데스 벤츠는 매출이 1,532억 유로라고 보고했으며, 이는 2022년 1,500억 유로 대비 32억 유로 증가한 수치입니다. 회사는 197억 유로의 EBIT를 기록했으며, EPS는 13.46 유로였습니다.

#2. Biohm

다수의 상을 수상한 연구·개발 기업 Biohm은 ‘자연이 혁신을 이끌게 하라’는 철학을 믿습니다. 그 사명은 ‘획기적이고 확장 가능한 바이오 기술을 책임감 있게 라이선스함으로써 문화와 자연 시스템을 조화시키는 것’입니다.

Biohm의 핵심 기술 중 하나는 균사체(버섯의 영양성 필라멘트 뿌리 구조)의 힘을 활용합니다. 이 기술을 이용해 입자 복합재, 섬유 강화 복합재, 단일체 재료, 폴리머와 유사한 단일체 재료와 같은 정교한 부품을 개발하는 고효과·고성능 솔루션을 생산합니다. 이러한 재료는 건설, 소비재·소매 제품, 특수 포장, 인테리어, 가구, 패션 분야에 적합합니다.

Biohm은 ‘Orb’ 기술을 통해 가장 빠르게 증가하는 ‘폐기물 흐름’—식품 및 농업 폐기물—을 가치 있고 기능적인 고성능 제품으로 전환합니다. 이러한 제품은 시트 형태로 만들거나 복잡한 3D 형태 및 3D 프린트 제품으로 성형할 수 있습니다.

또한 Biohm은 영구적인 결합제나 고정 장치를 필요로 하지 않는 조립식 건축 시스템을 제공하여 견고하고 고품질의 구조물을 만듭니다. 탄소 분자 결합의 수학적 기하학에서 영감을 받은 이 시스템은 건물의 환경 영향, 비용, 건축 시간을 각각 120%, 70%, 95% 감소시킬 수 있습니다.

혁신적인 바이오리메디에이션 노력 중 하나로, Biohm은 Waitrose & Partners 및 Power To Change와 협력하여 폴리우레탄(PU), 폴리에틸렌(PE), 폴리스티렌(PS), 폴리에스터(PET)를 포함한 플라스틱을 섭취할 수 있는 네 가지 균사체 균주를 개발했습니다. 이 균사체 중심 기술을 활용하면 플라스틱을 당, 무해한 탄화수소 및 이산화탄소로 분해할 수 있습니다. 균사체는 당과 탄화수소를 섭취하고, 이산화탄소는 광합성 유기체를 통해 산소로 전환됩니다.

산업 추정에 따르면, 회사는 현재까지 173만 달러의 자금을 모금한 것으로 알려졌습니다.

생체 영감을 받은 항공 및 유체 역학의 미래

자연에서 영감을 받아 항공 및 유체 역학을 재구상하는 것은 전 세계 연구자들에게 동기를 부여했습니다. 예를 들어 브리스톨 대학의 바이오 영감 비행 연구소는 Dr. Shane Windsor가 이끌고 있으며, 동물 비행의 다양한 감지 및 제어 측면을 조사하여 특히 소형 무인 항공기(UAV)의 작동 방식을 개선할 수 있는 방법을 탐구했습니다.

세계 최대 브랜드 중 하나인 록히드 마틴은 스컹크 워크스의 영감을 열대 중남미의 허큘레스 딱정벌레에서 얻었습니다. 이 딱정벌레는 주변 열대우림의 일일 색조 변화에 맞춰 유기적으로 색을 어둡게 혹은 밝게 변합니다. 스컹크 워크스 연구원들은 이 특성을 모방하면 복합 항공기 부품 제조를 개선할 수 있다고 믿으며, 복합 구조가 다음 제조 단계로 진행하기에 적절한 습도 수준에 도달했을 때 기술자에게 알리는 센서를 개발하고자 합니다.

스컹크 워크스 혁신 기술 포트폴리오 담당자인 토마스 쿠운스에 따르면, “색상 변화 센서는 제조 조건이 적절한지 여부를 빠르고 저렴하며 신뢰성 있게 판단하는 방법이 될 것입니다.” 쿠운스는 이를 ‘저비용·저인력 솔루션’이라고 강조했습니다.

오하이오 주에 있는 NASA 글렌 연구센터에서, 해달의 수염이 연구원 Vikram Shyam에게 고정익 항공기의 획기적인 에너지 효율성을 목표로 하는 Advanced Air Transport Technology Project를 위한 저항 터빈 블레이드를 설계하도록 영감을 주었습니다. 

마찬가지로, 오하이오 주 NASA 글렌 연구센터의 선임 기술자인 Isaiah Blankson은 수영 펭귄의 곡예 같은 정밀성에서 영감을 받아, 공기역학적 형상을 통해 소닉 붐을 감소시키려는 Low-Boom Flight Demonstration 프로그램을 개발했습니다.

자연에서 영감을 얻는 것은 인간이 항공 및 유체 역학 솔루션을 크게 향상시키는 데 도움이 되었습니다. 수십만 년에 걸친 진화와 생존 전략을 통해 다듬어진 자연과 동물 왕국의 지혜는 효율적이고 저비용이며 지속 가능한 더 나은 공학 솔루션을 위한 풍부한 통찰을 제공합니다.

로봇이 자연에서 영감을 얻는 방법을 알아보려면 여기를 클릭하세요.