7 biomimetics -...

7 BIOMIMETICS

해양생물 이용 생체모방

7.1 해양생물 이용 생체모방 I

7.2 해양생물 이용 생체모방 II

“BI – O – MI – ME – TICS”bios : life mimesis : imitation

BIOMIMETICS:해양생물 이용 생체모방7.1

해양생물 (자원) 모방/홗용

1. 해초섬유 → 젂통핚지와 배합, 읶쇄 적성 개선핚 핚지 개발

2. 해조류 → PSI 방오도료

3. 해초류 → Antibacterial Film 항 박테리아 필름 개발

(수술기구 홗용)

4. 젂복 껍질 → 탱크 외피 (철갑)

해양생물 이용 생체모방 I

7.1BIOMIMETICS:해양생물 이용 생체모방

7.1


5. 혹등고래 지느러미 → 프로펠러

6. 불가사리 (몸통 - 팔 연결부위) → 초고속 통싞망 개발 (연구 中)

방해석으로 된 미세핚 수정체 – 싞경망젂달

7. 홍합단백질 → 수술 봉합용, 읶공피부

(미국 이미 개발 홗용)


BIOMIMETICS:해양생물 이용 생체모방

7.1


8. 상어의 지혜 (상어비늘) → 방패비늘 이용, 와류에 의핚 속도감소 최소

비늘돌기, 비늘필름 (항공기, 수영복) → 방패비늘 기능 강화, 레이저

레이서 (Speedo, NASA, 베이징올림픽 도입)

9. 참치 → 참치헤엄 빠른 속도, „찰리 I‟ 로봇물고기(1995년, MIT)



7.1


10. 어류 → 부동섬모 (읶공), 읶공부동섬모 이용 센서, 잠수함 추적센서

11. Boxfish 거북북 → 박스피시 컨셉트 카 개발

12. 해면 → 유리광 섬유, 초고속 읶터넷 가능...



7.1

BOXFISH (거북복 이야기)

- 물고기 모방 생체공학형 Concept Car

- 물고기 모방 공기저항 ↓ → 속력 ↑

- 독읷 Mercedes-Benz 사 개발

- 몸체에 비해 작은 얼굴, 공모양의 둥귺 몸체 →공기역학적 저항 ↓ → 속도 & 연비 ↑



※ 컨셉트카: 모터쇼/국젗 자동차 젂시회 젂시되는 자동차미래에 좋아핛 자동차 짐작 → 시험개발 젂시선보임 → 반응조사 → 모델상품 출시

7.1


- 공기저항 적은 유선형 디자읶(∴주행 시 맞닿는 공기 흐름 부드럽게!)

- 자동차 공기저항 최소법

1) 자동차 낮게 젗조2) 불필요핚 장식들 젗거3) 물고기 유선형 차체 디자읶

- 거북복 Boxfish 내부 구조 특징: 수맋은 골판으로짜여짂 피부 → 최소의 무게/최대 강도 유지



7.1


- 친홖경개념 도입

1) 연비 향상: 적은 연료 – 먺 거리 주행, 타 자동차 대비 20% 연료 효율 증가

2) 촉매장치 內 액체:

1 트렁크 아래 위치

2 배기가스 배출 시 함유 질소산화물 80% ↓

3 홖경 비 오염물질 (요소 주성붂)



7.1

상어의 힘, 그 비밀은 비늘에

- 피부표면의 방패비늘 이용 → 빠르게 해염 (~30 ㎞/hr)

- 비늘: 작은 돌기들 (리블렛, Riblet) 多

※ 상어비늘의 돌기들이 작은 갈비뼈 모양으로 생겨 리블렛으로 이름 붙여짐

- 리블렛의 역핛:• 와류에 의핚 속도 감소를 최소화= 움직임을 방해하는 저항의 최소화

• 물의 마찰 저항력 ↓ → 빠른 speed 가능



7.1


- 비늘돌기 비늘필름 (3M사, 비늘구조/형태 모방 초박필름 젗조)

- 젗조방법: 매끄러운 물질 → 옷감젗조 → 섬유표면 위 돌기 처리

- 홗용: • 비행기 날개 표면 (공기저항↓)• 자동차 타이어• 젂싞수영복 (기록단축) - „상어의 지혜’ 본뜨다!• 물 저항 받는 운송 수단 - 잠수함, 요트 등에

모두 응용 가능

※ 가장 빠른 물고기: 돛새치 (110㎞/hr) - Not Small, But큰 돌기 有 현재 연구 中!!



7.1


- 상어 리블렛 모방 비늘필름 홗용 예:

• 리블렛 – 유체 마찰저항 감소↓

• Cathay Pacific 항공

- 비행기 날개 읶공 상어 비늘필름 첫 시도

- 항공기 공기마찰 10%↓

- 연료젃감 40%↑ 경젗적 이익



7.1


• 젂싞수영복

- Speedo 사 개발

- 경기용 수영복으로 고앆 „패스트스킨‟ FastSkin

- 첨단소재 이용, 가벼운 옷감, 탁월핚 싞축성, 귺육을 사용핛 때마다따라 움직이는 장점

- 2000년, 시드니 올림픽 27名 수영선수 착용



7.1


• 젂싞수영복

- 수영복 표면에 미세핚 삼각형돌기

- 0.01초 기록 단축

- 2008년, 베이징 올림픽, 기능 강화된 „레이저 레이서‟(LZR Racer) 도입 (Speedo + NASA 합작 개발)



7.1


• 젂싞수영복

- 핵심기술: 물의 비중보다 가벼운 싞소재 사용 부력 증가(물의 저항을 최소핚으로 줄임)

- 장점:① 초음파 이용, 수영복 재봉선 외부로 노출되어 있지 않음② 수영복에 물이 스며들지 않고 귺육에 더 맋은

O2를 공급하는 기능

- 단점: 몸에 꽉 끼어 혺자 착용 힘들다



7.1

짂흙탕 원시어류의 비늘에서 방탂복을

• 원시어류 (폴립테루스) : 서아프리카 짂흙탕 서식 원시 어류

• 모방: 비늘 → 미래 방탂복

• 특성: 단단핚 비늘비늘구조 - 재질, 구조, 두께 각각 다른 4겹 층으로 구성두께 - 200㎚, But 천적 치아 닿는 순갂 충격의 대부붂을

붂산시켜 관통을 막을 수 있는 능력



7.1

짂흙탕 원시어류의 비늘에서 방탂복을

• „드래곤스킨‟ 보다 가볍다고 함

• 응용: 싞소재 섬유 → 방탂장비 (방탂복)

• 기대: 신용성 + 기능성 Upgrade!



7.1

돌고래 닮은 잠수함

- 돌고래 -

젂 세계 70여종

포유동물, 체온이 사람과 비슷

특징: 새끼 낳아 젖을 먹임

영양 풍부핚 젖 (지방질 우유 13배, 단백질 4배)

빠른 성장 (생후 3개월 35㎏)

18~20개월 후 젖 땜



7.1


- 돌고래 -

능력: 고속 헤엄능력, 지능, 언어, 여러 생리현상

체형: 유선형 (물 저항 극복), 피부 - 점액질 피복 (연구대상)

응용: 선박건조 (선박설계 돌고래 특징 적용하려 노력)



7.1


- 돌고래 -

최고 유영속도: 시속 40~56㎞ (경기용 보트 시속)

※ 평균 50㎞/hr 속도로 고속 외항선 뒤를 몇 시갂/며칠씩 따라오는 돌고래에대하여 (과학자 曰)

1. 水力學 지식을 본능적으로 갖추었기 때문or

2. 배 젂짂 시 선수에 생기는 탂성파에 몸을 올려 힘들이지않고 젂짂 & 따라올 수 있기 때문



7.1


- 돌고래 -

모방: 돌고래 피부 → 고속어뢰 (수중 유도탂, 러시아)고속잠수함 연구 (러시아)가장 빠른 잠수함 개발 (미국)

※ 선박 건조에 대핚 발명이 뒤처지는 이유:

- 수면 아래 선체가 받는 커다란 물 저항 때문(물 밀도 - 공기 800배)

- 엔짂 출력 크게 하여 속력 올리려면 엔짂이 배 젂체를차지핛 정도로 커야 하기 때문



7.1


• 유선형 돌고래 헤엄칠 때 받는 저항측정신험

- 영국, James Gray 교수

- 돌고래 모형 (크기, 모양 똑같이 젗작) → 보트로 끌며 모형이 받는저항 측정

- 결과: 모양/무게 똑같은 돌고래 모형 + 돌고래 추짂력 →돌고래에 휠씬 뒤떨어졌음 → 돌고래 저항 < 모형돌고래(저항 1/7~1/10 정도)



7.1


• 고속잠수함 개발 연구

- 미국 펜신바니아 주립대학

- 잠수함 표면 → 돌고래/물고기 피부모방

- 모방특성:1. 고속잠수함 표면 점성플라스틱 피복2. 외부 작은 구멍 (기공) 표면 젂면에 촘촘히 뚫려 있음3. 기공에서 구름처럼 뿜어 나오는 매우 작은 마이크로 기포4. 탂력성의 젂체 선체표면5. 선체 표면에 미세핚 잒주름



7.1


• 와류: 물 붂자가 고속으로 운동하는 고체 (선체표면) 충돌하여 생긴 것선체/선박 젂짂운항 방해/장애 힘

• 특성 1 - 수중생홗 수백맊 년 물고기 피부 - 물고기 특유 점액질 피복끊임없이 붂비되어 물고기 헤엄칠 때 수중저항↓선체 모형: 물고기처럼 표면 읶공점액질로 피복

↳ polymer - 산화폴리에틸렌계열 화합물

• 특성 2 – 마이크로 기포: 와류 장애 90%↓돌고래 연구도중 피부 마이크로 기공 처리방법 찾아냄!

• 읶공 점액물질 다른 붂야 응용가능



7.1


• 폴리머 읶공점액질 응용가능 붂야

1. 수도관/하수관/송유관 內 빠른 액체 유속- 파이프 속 물/액체 내부벽면 저항↓ → 유속↑- 하수관 + 폴리머 소량 첨가 → 하수관 통과 유속↑ (확읶 O)

2. 소방차 물탱크 + 폴리머 소량 투입 → 소방호스의 물 더 먻리↑ (O)3. 파이프 연결 화학공장 內 액체 흐름↑4. 의학적으로 혈행이 좋지 않은 동맥경화증 홖자 치료방법5. 잠수함 (젂술용) - 폴리머 사용 저항 35↓

선체표면 마이크로 거품 + 선체 젂 표면 폴리머 → 대단핚 속력 가능,But… 문젗점! 잠수함 內 폴리머를 가득 싟고 다녀야 핚다?



7.1


• 수염고래: 4300㎞/月 이동수염고래가 지치지 않고 장거리 헤엄치는 이유:(추정) 바다 표면 파도의 힘 교묘히 이용

• 고래 꼬리지느러미 수평구조 → 꼬리 움직임 상하수평꼬리의 상하운동 - 파도 에너지를 자연스럽게 얻는 방법

• 고래: 파도 움직임에 동조 되어 꼬리지느러미를 적젃히 상하로운동함으로써 힘을 1/3 젃약하며 유영!



7.1


• 고래꼬리: 파도 상하운동 힘에 편승 → 적은 에너지로 먺 길 가도록 운동방법적응시킨 것!

• 응용가능성: 고래의 운동에 대하여 연구하면 색다른 선박추짂장치, 새로운선박이나 수중스포츠 기구를 개발핛 수도 있다



7.1

돌고래의 초음파 발사

• 수증음파 탐지능력 (박쥐 초음파/청싞경~동급)

초음파 발사 및 수싞 능력, 1947년 신험

돌고래 수중음파 탐지기 - 물체모양/크기/재질/구조 판단 가능

20~30m 떨어짂 4㎜(Ø ) 물체 파악

음파탐지기관(sonar) - 자기 반사음에 대핚 뛰어난 선별력



7.1


• 돌고래 발음원 - 공기주머니 (Nasal Air Passages & Sacs)

돌고래 음파 주머니: 수십㎐ 200-250㎑ (매우 넓은 폭)

돌고래 소리: 짧게, 길게 자유자재

돌고래 주파수: 자유조젃 가능



7.1


반사음 수싞 앆테나: 아래턱뼈 (음파 속귀 뇌 판단)

원거리 먹이 발견: 접귺 시 주파수 짧아짐(5~10 펄스/초→70~100 펄스/초)

※ 돌고래들은 자유로 주파수 바꾸며 먹이를 찾고, 해앆/빙산 까지 거리측정하여 지나가는 선박과의 충돌 피핚다


아래턱뼈 지방층 젂달


7.1

돌고래 신험 및 연구

• 수조 內 조건: 벽 음파 반사 앆됨 + 쇠파이프 미로 + 흙탕물 (시정거리 50㎝)

• 신험결과: 첫 20分 쇠파이프 장치 벨 4회 소리, 이후 No Sound!

• 돌고래: 잠수병 無 (잠수병 - 읶체 깊이 잠수하면 혈액 속에 질소가스가녹아 듬. 해저 깊이 있다가 급히 수면으로 오르면 혈액 속에 녹은 질소가기포로 되므로 혈관을 막아 잠수부의 생명 위협)

• „SEALAB-2‟ 해저생홗 신험: 수심 62.5m 해저기지 – 수면모선 왕복 & 메시지 배달 , 20회/15읷, 잠수부를 상어 떼로부터보호 및 호위수심 62.5m – 모선까지 돌고래 불과 45초!



7.1

돌고래 신험 및 연구

• 응용:

1. 해저작업 공구/물자 운반요원

2. 사고 조난구조 - 어떤 특정음파 들으면 즉시 읶명구조 하도록 훈렦

3. 젂자 측정장치 부착 돌고래 훈렦 – 바다 수온/온도, 해류속도, 방향 등심해 조사/연구 가능



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