[과학] 식물의 특징을 활용한 생활 용품, 생체모방기술을 이용한 생활용품, 찍찍이 테이프 발명

식물의 특징을 이용한 생활용품에는 연잎 속으로 물이 스며들지 않는 특징을 이용해 만든 물에 젖지 않는 옷감, 단풍나무 열매의 생김새를 이용해 만든 드론의 날개, 우엉 열매의 갈고리 모양 가시를 이용해 만든 찍찍이 테이프, 민들레씨가 날아가는 모습을 이용해 만든 낙하산 등이 있습니다. 오늘은 일상생활에서 생체모방기술로 만들어진 식물의 특징을 활용한 다양한 생활용품에 대해 알아볼게요.

 

식물의 특징을 활용한 생활용품

연잎의 특징을 이용한 물이 스며들지 않는 방수 천

• 연잎 표면에 있는 돌기는 아주 강한 소수성인 초소수성을 지니고 있어 연잎에 물방울이 떨어지면 잎이 젖지 않고 물방울이 굴러떨어진다.
• 물방울이 떨어질 때 연잎에 있는 먼지도 함께 떨어지기 때문에 잎은 물에 젖지 않고 더러워지지 않는데, 이러한 현상을 ‘연잎 효과’라고 한다.
• 연잎에 물방울이 스며들지 않고 굴러떨어지는 모습을 보고 방수 천을 만들었고, 연잎 효과를 이용해 물을 뿌리면 먼지가 함께 제거되는 페인트나 변기 표면에 배설물이 묻지 않고 물과 함께 깨끗하게 내려가는 변기 코팅 기술을 만들기도 하였다.

연잎 방수

 

단풍나무 열매를 이용해 만든 회전 날개

• 단풍나무는 바람에 씨를 멀리 날려 보내 자손을 최대한 많이 퍼뜨리기에 알맞은 열매의 모양을 하고 있다.
• 열매는 가볍고 날개가 붙어 있고 두 개가 서로 맞붙어 있는데, 그 모양이 부메랑처럼 생겼다.
• 날개에는 표면에 일정한 결이 있어 공기 저항을 최소화한다.
• 단풍나무 열매는 빙그르르 돌면서 멀리까지 날아가는데, 이 회전 덕분에 더 천천히 떨어지고 바람을 이용해 멀리까지 날아간다.
• 단풍나무 열매가 빙그르르 돌면서 멀리 날아가는 모습을 이용해 헬리콥터의 회전 날개나 드론의 날개, 선풍기 날개 등이 만들어졌다.

단풍나무 열매

 

큰가시연꽃 잎의 구조를 이용한 수정궁

• 큰가시연꽃의 잎은 큰 것의 경우 지름이 3 m에 달한다. 평평한 잎은 어린아이가 앉아도 가라앉지 않을 정도로 부력이 크다.
• 잎의 뒷면에는 날카로운 가시와 그물코로 된 굵은 잎맥이 있는데, 이 사이에 공기가 모여 잎을 띄우는 것이다.
• 1851년 영국에서 팩스턴(Joseph Paxton, 1803~1865)이 설계한 수정궁은 축구장 12개와 맞먹을 만큼 큰 건물이었다.
• 당시 철제 골조와 유리로 건물을 짓는 기술은 작은 온실만 가능했으나, 팩스턴은 큰가시연꽃 잎의 특징을 이용해 수정궁처럼 규모가 큰 건물을 설계하였다.

수정궁, 큰 가시연꽃잎

 

부채야자 잎의 주름을 이용해 만든 통조림 캔

• 주름 무게를 늘리지 않으면서 구조를 튼튼히 하는 방법 중 흔히 쓰는 방법이 주름을 잡는 것이다.
• 부채야자는 이름에서도 알 수 있듯이 마치 부채를 펼쳐 놓은 듯한 큰 잎을 가지고 있다.
• 부채야자의 넓은 잎은 주름이 없다면 아래로 늘어지겠지만, 주름이 있어 같은 무게로 더 큰 힘을 가지게 되므로 잎이 늘어지지 않는다.
• 이 원리를 이용해 통조림 캔 외부에 가로로 주름을 만들었는데, 이렇게 물결무늬와 같은 주름을 잡으면 통조림 캔의 구조적 안정성이 커져서 찌그러지는 일이 줄어든다.

부채야자잎

 

오이 덩굴손의 생김새를 이용한 비틀림 스프링

오이는 덩굴손이라는 줄기를 뻗어 식물을 고정한다.

오이의 덩굴손은 절반은 시계 방향으로 감기다가 절반은 반대로 감기는데, 이것은 덩굴손의 길이를 줄여 팽팽하게 하면서 양 끝만 보면 회전하지 않는 효과를 보여 준다.

무거운 무게를 잘 견디면서 풀릴 때에는 쉽게 풀려 끊어지는 것을 방지할 수 있다.

오이 덩굴손의 특징을 이용해 잘 끊어지지 않는 비틀림 스프링을 설계하였다.

오이덩쿨

 

대나무 줄기의 생김새를 이용해 만든 고층 건물

• 대나무는 종류가 많은데 그중 어떤 종의 경우는 키가 40 m까지 자라고 하루에 1 m씩 자라기도 한다.
• 대나무 줄기는 속이 빈 관 모양으로 가볍고 튼튼하다.
• 속이 비어 있는데도 대나무 줄기가 튼튼한 까닭은 마디 부분에 가는 식물 섬유 조직인 판이 있기 때문이다.
• 줄기를 여러 칸으로 나눈 것처럼 보이는 이 판을 격벽이라고 부른다.
• 격벽은 줄기가 꺾이지 않도록 잡아 주기 때문에 속이 빈 대나무 줄기를 높이 자라게 한다.
• 대나무 줄기는 아주 튼튼하므로 아시아의 일부 지역에서는 공사용 임시 구조물의 재료로 사용하기도 하고, 대나무 줄기의 모양을 본떠 고층 건물을 짓기도 하였다.

 

찍찍이 테이프 벨크로 발명가 메스트랄

스위스의 전기 기술자 메스트랄(George de Mestral, 1907~1990)은 개와 함께 사냥을 하러 갔다가 산우엉이 우거진 숲속을 지나게 되었다. 개와 함께 산책을 마치고 돌아와 보니 자신의 바지와 개의 털에 산우엉 열매가 달라붙어 있는 것을 발견하게 되었고, 털어도 쉽게 떨어지지 않아 확대경을 이용해 산우엉 열매를 자세히 관찰하였다. 그는 열매의 가시 끝이 아주 작은 갈고리 모양으로 되어 있다는 것을 알게 되었고, 이것을 이용해 한쪽은 갈고리 모양, 다른 한쪽은 작은 원형 고리 모양인 테이프를 만들어 붙여 보았다. 이 테이프는 서로 붙었다가 약간의 힘으로 떼어 내면 원래 모습으로 떨어졌다. 이렇게 메스트랄이 발명한 찍찍이 테이프는 갈고리가 쉽게 떨어지는 단점을 보완한 뒤 제품으로 만들어져 신발, 가방, 옷, 기저귀 등에 널리 사용되고 있다.

벨크로

 

 

식물의 특징을 활용한 생체모방기술

식물의 특징을 이용한 생체 모방 기술은 식물의 구조나 기능, 작동 원리 등에서 아이디어를 얻고, 이를 모방하거나 응용하여 새로운 소재를 만들거나 우리 생활 속 기술적·공학적 문제를 해결한다. 이를 위해서는 생물학, 물리학, 재료과학 등 다양한 분야의 종합적 연구가 필요하다. 다양한 식물의 특징에서 얻은 영감으로 우리는 더 편리한 생활을 할 수 있는 것이다.

 

생체모방기술(Biomimetics)은 자연에서 발견된 생물의 구조와 기능을 모방하여 기술을 개발하는 분야입니다. 이를 통해 다양한 산업에서 혁신적인 제품과 시스템이 탄생하고 있습니다. 예를 들어 비행기 디자인은 대머리 독수리의 날개 구조를 모방하여 연료 효율성을 높이고 비행 성능을 개선하였으며 헬리콥터 프로펠러는 단풍나무 씨앗의 회전하는 비행 방식에서 영감을 받아 안정성을 향상시켰으며 로봇 청소기는 박쥐의 초음파 탐지 능력을 활용하여 장애물을 피하며 효율적으로 청소하기도 합니다. 또한 방수 코팅 소재의 옷 등은 연꽃 잎의 물방울이 쉽게 떨어지는 특성을 모방하여 방수 기술 개발하였으며 고속철도 디자인중 일본 신칸센은 킹피셔 새의 부리 구조를 본떠 공기 저항과 소음을 줄이는 데 성공하였으며 우리나라 KTX고속철도는 산천어의 머리모양을 본떴으며, 기타 고속철도는 벌새의 머리모양을 본뜨기도 했습니다.