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바이오닉스
바이오닉스(bionics)는 생체(生體)의 기구 ·기능을 공학적으로 연구하여 거기에서 얻은 지식을 기술적 문제에 응용하는 학문으로 1958년 미국 국립항공우주국(NASA)의 잭 스틸(Jack E. Steele)이 처음으로 이 말을 사용하였다. 생체공학, 생물공학, 바이오공학이라고도 한다.
연구분야는 대단히 넓으며 생체공학 또는 인간기계공학(人間機械工學) 등도 모두 바이오닉스에 포함된다. 바이오닉스는 생명의 단위라는 그리스어 '바이온(bion)'이 어원이며, 1958년 미국 국립항공우주국(NASA)의 잭 스틸이 처음으로 이 말을 사용하였다.
그후 1960년 9월 오하이오주(州) 디튼시(市)에서 바이오닉스에 관한 심포지엄이 열리자 세계의 주목을 끌게 되었다. 스틸은 "바이오닉스란 시스템의 과학이다. 그 시스템은 생체 시스템에 기초를 두며 생체 시스템과 같은 특징을 가진 것이거나 생체 시스템을 닮은 것이다."라고 말하였다.
우리가 평소에 사용하는 도구나 기계 가운데는 생체의 동작을 모방하여 제작된 것이 많다. 예를 들면, 새가 나는 모습을 상세하게 조사하여 그것을 모방하여 제작한 것이 비행기이다. 현재는 기술이 진보하여 상당히 복잡한 동작을 할 수 있는 기계가 제작되고 있지만 그래도 생체의 움직임에 비하면 기계의 동작은 상당히 한정되어 있다.
만일 생체의 다리 동작과 같은 기능을 가진 기계가 제작된다면, 평탄한 도로만 달릴 수 있게 만든 현재의 자동차와는 다르게 상당히 자유자재로 달릴 수 있는 장치가 될 것이다. 이것은 해저(海底)나 월면조사(月面調査) 같은 작업에 크게 활용할 수 있을 것이다. 또 뱀이나 물고기처럼 몸을 흔들면서 운동하는 연구조기계(軟構造機械)는 종전과는 다른 새로운 분야에서 활약할 수 있을 것이다.
그러기 위하여 물고기의 꼬리나 지느러미의 동작을 관찰 ·연구하여 그 기능을 과학적으로 해명하려고 시도하고 있다. 그 밖에 지네나 메뚜기의 동작에 대한 공학적 연구도 진행되고 있다. 동물의 보행(步行)에 관하여 연구하는 분야는 바이오메커닉스(biomechanics)의 주요 연구 분야 중 하나이다.
바이오닉스가 당면한 목적중 하나는 생체의 기능을 연구하여 그것을 모방하여 생체와 같이 동작하는 기계를 만드는 데 있다. 그 결과 종래 인간이 하던 복잡한 작업을 기계로 대체하거나, 인간이 직접 하기에 너무 가혹하거나 또는 고열(高熱) 속에서 하는 일 등을 모두 기계로 대체하려 하고 있다. 또 생력화(省力化:산업의 기계화.무인화를 촉진시켜 노동력을 줄이는 일)하려고 하는 방면에서 현재 활용되고 있는 산업로봇은 바이오닉스의 한 성과라고 할 수 있다.
전자공학의 진보에 의하여 바이오닉스의 연구범위는 한층 넓어져 동물의 뇌와 같은 기능을 가진 기계가 어느 정도 가능하게 되었다. 일반적으로 동물은 뇌에 의한 제어기구(制御機構)를 가지고 있으므로 대단히 복잡한 동작을 할 수 있다. 이 생체의 신경계(神經系)를 연구하여 그것에 되먹임시스템(feedback system)을 도입함으로써 지금까지 불가능하던 두부와 같이 연한 물건도 잡을 수 있는 기계손의 개발을 시도하고 있다.
현재는 바이오닉스의 연구범위가 더욱 넓어져 인공심장을 비롯하여 각종 인공장기(人工臟器)의 제작뿐만 아니라 색각(色覺)·청각·신경회로망·시냅스·패턴 인식(認識)·혈액순환 등 여러 방면에 걸쳐 있다. 이처럼 이 학문의 발전에는 위너(N. Winner)가 제창한 사이버네틱스에 관한 이론이 기초가 된다.
개요[편집]
바이오닉스(bionics)는 자연에서 발견될 수 있는 생명체의 과학적 방식과 시스템을 연구에 적용하는 학문으로 현대 기술이나 공학의 디자인 방면에서 활용된다.틀:출처
bionic이라는 말은 1958년 Jack E. Steele에 의해 처음 사용되었는데, 기술용어인 bion('생명의 단위'를 의미하는고대 그리스어(βίος)에서 유래함.)에 '~와 같은'또는 '~의 방식으로'를 의미하는 접미사 -ic이 결합되어 결과적으로 '생명처럼'을 의미하는 단어이다. 그러나 몇몇 사전에서는biology(생물학) 과 electronics(전자공학)의 합성어로 보기도 한다. 생체공학은 마틴 카이딘(Martin Caidin)의 소설 사이보그를 바탕으로 하여 제작된 1970년대 TV 프로그램인 6백만불의 사나이와 소머즈로 유명세를 타게 되었다.
생체공학 옹호자들에 따르면 생명체와 공학의 기술적 전환은 바람직하다. 왜냐하면 진화의 압박은 항시 동물군과 식물군을 포함한 생명체들이 더 효율적이고 최적화되도록 가해진다. 고전적인 예시를 들자면 연꽃의 잎은 끈적거리지 않고 물과 같은 것을 흘려버리는 연잎 효과를 가지도록 진화한 것을 볼 수 있다.
Ekso bionics가 현재 개발하고 있는 것은 군인과 대마비환자를 위해한 착용할 수 있는 지능적 로봇에 들어가는 인공 외골격의 연구이다.
생체모방이라는 용어는 화학적 반응에 대해 언급할 때 더 선호되는 말이다. 이런 맥락에서, 생체 모방적 화학은 생명체 밖에서 비교적 작은 분자를 이용해 모방이 가능한 생물의 고분자(ex.효소 또는 핵산)들을 포함하는 반응을 말하는 것이다.
공학에서 생체 공학의 예시를 들자면, 돌고래의 두꺼운 피부를 모방한 보트의 선체가 있으며, 박쥐의 초음파를 이용한 탐지를 모방한 소나, 레이다, 그리고 의학적 초음파 역시 이에 해당한다.
컴퓨터 과학의 분야를 보면, 생체 공학에 대한 연구는 인공 뉴런, 인공신경망 그리고 떼 지능을 이룩하였다. 진화 연산 역시 생체 공학에서 모티브를 얻었지만 인실리코 진화 시뮬레이션과 자연에서 한 번도 나타나지 않은 최적화된 해결책을 만들어냄으로써 더 상위의 발전을 이루었다.
바스 대학교 기계공학부의 생체모방학 그룹의 교수인 즐리안 빈센트는 "현재에 이르러 단지 생물학과 기술사이에 12%의 공통점만 있다."고 평가했다.
방식[편집]
종종, 생체공학의 연구는 단지 생명체의 구조를 모방하는 것이라기 보다는 자연에서 발견되는 기능을 시행가는 것을 예시로 가진다.예를 들면, 컴퓨터 과학에서, 사이버네틱스는 피드백을 모델링하려고 하였고 지능을 가진 행위가 내제되어 있는 매커니즘을 통제하려한다. 반면에 인공지능은 지성을 가진 기능을 취해질 수 있는 특정한 방식에 관계 없이 모델링한다.
자연에 존재하는 유기체와 생체계의 예시들과 매커니즘에 대한 인지적 모방은 사례기반추론(CBR)이 적용된 형식으로, 자연을 이미 작동하는 해결책의 정보집합체로 본다. 옹호자들은 선택압은 모든 생명체들이 실패를 최소화하고 제거하는 것이라고 주장한다.
비록 대부분의 공학은 생체모방의 형식으로 말해질 수 있음에도 불구하고, 이 분야의 현대적 기원은 보통 버크민스터 풀러가 기여했다고 본다 그리고 이는 재닌 베닌스(Janine Benyus)의 연구에 의해 분야가 성문화되었다고 본다.
대략적으로, 우리는 기술이 모델링된 뒤에 동물군과 식물군에서 세 가지 생물학적 단계를 분류 할 수 있다.
- 자연의 제조 방식을 모방하는 것
- 자연에서 발견되는 매커니즘을 모방하는 것
- 조직적 원리들을 유기체의 사회적 행위로부터 연구하는 것(새들의 '플로킹'이나 개미가 먹이를 찾는 방식 그리고 물고기들의 떼 지능 등이 있다.)
예시[편집]
- 벨크로는 생체모방의 가장 유명한 예시이다. 1948년, 스위스의 공학자 George de Mestral는 개와 산책 후 개에게 산우엉 가시가 붙어있는 것을 떼어내 주다가 가시의 후크 모양에서 벨크로의 영감을 얻었다.
- 벌목꾼용 칼의 뿔 모양, 톱 이빨 모양의 디자인은 19세로의 전환점에서 나무를 베기 위해 사용되었으며(이 때는 여전히 손으로 벌목작업을 했다), 나무를 파는 풍뎅이를 관찰한 결과물이다. 이는 산업에서 혁명을 가져왔는데 칼이 나무를 너무 빨리 베어내서 그랬다고 한다.
- Cat's eye reflectors는 Percy Shaw가 1935년에 발명했는데, 물론 고양이 눈의 매커니즘을 연구한 결과였다. 그는 고양이들이 tapetum lucidum이라고 불리는 가장 작은 비트의 빛도 반사할 수 있는 반사 시스템을 가지고 있다는 것을 발견했다.
- 레오나르도 다 빈치의 비행기와 날아다니는 배는 일찍이 공학에서 자연으로부터 영감을 얻은 예시가 된다.
- 레실린은 고무의 대용품으로 절지동물에서 발견되는 물질을 연구한 끝에 만들어졌다.
- Julian Vincent는 구과 식물의 방울에 대한 연구에서 영감을 얻어 2004년에 온도가 변함에 따라 이에 적응하는 "스마트" 의류를 만들었다. 그는 "나는 변하는 모양에 따라 수분의 변화에 만응하는 무생물 시스템을 원했다.", "식물에는 이러한 시스템이 몇 개 있지만, 대부분이 너무 작다- 솔방울이 가장 크로 따라서 작업하기에 가장 용이했다."라고 말했다. 솔방울은 시를 퍼뜨리기 위해 습도가 올라갈수록 펼쳐진다. "스마트" 직물은 같은 작용을 한다. 착용자의 체온이 따뜻하고 땀을 흘리면 열리고 체온이 내려갈 때는 닫힌다
- 펜실베니아 주립 대학에서 생체 모방 과학자들에 의해 2004년에 디자인 된 속도와 비행 시간에 따라 모양을 변경 "항공기 날개를 모핑."모핑 날개는 다르게 그들은 비행하는 속도에 따라 날개를 형성한 다른 조류에 의해 영감을 했다.항공기 날개의 형상 및 하부 구조를 변경하기 위하여, 연구자들은 상부 피부는 서로 미끄러 수 물고기 영감 비늘 날개를 피복하여 설계 않는, 변경할 수 있도록 할 필요가 있었다. 어떤면에서 이것은 스윙 날개 디자인의 세련미이다.
- 일부 페인트와 지붕 타일 메커니즘은 연잎에서 복사하여 자동 세척될 수 있도록 설계되었다.
- 콜레 스테 릭 액정 S (CLCs)는 종종 수조 온도계 또는 무드 링의, 온도 변화와 함께 변화하는 색상을 제조하는 데 사용되는 박막 재료이다. 자신의 분자가 배치되어 있기 때문에 그들은 색상을 변경 나선형 또는 키랄 배열하고 나선 구조 변경의 온도가 피치는 빛의 다른 파장의 반영 . 유리 섬유, 광섬유, 키랄 포토닉스사 유기 CLCs의 자기 조립 구조체를 추상화하고 있다. 무기 트위스트의 작은 길이를 이용하여 유사한 광 디바이스를 생성한다.
- 나노 구조과의 빛나는 색상을 만드는 물리적 메커니즘 나비 날개를 재현한 실리에에 의해 그렉 파커, 사우 샘프 턴의 대학에서 전자 공학 및 컴퓨터 과학 교수 연구 학생 루카 플래트 광자 정보 캐리어 대신 전자 등을 사용하여 전자는 포토닉스의 분야에서.
- 나비의 날개 구조는 폭발물을 감지 할 수 있는 새로운 나노 센서의 창조를 고무시켰다.
- Technoecosystems 또는 'EcoCyborg'시스템은 생태 학적 기능을 모방하는 기술들에 대한 자연 생태 공정의 결합을 포함한다. 이것은 자기 조절 하이브리드 시스템의 생성 결과 이 분야에 대한 연구가 하워드 T. Odum 전기 회로의 구성 요소 사이의 에너지 흐름과 유사한 것으로 생태계의 구조 및 emergy 동성을 인식.
- 컴퓨터 바이러스도 자기 복제 및 보급으로 프로그램 중심의 정보를 억제하기 위해 자신의 방법으로 생물학적 바이러스와 열세에 유사성을 보여준다.
- 의 냉각 시스템 이스트 게이트 센터 하라레에, 건물은 매우 효율적 수동 냉각을 달성하기 위해 흰개미 마운드를 모델로 했다.
- 홍합 수 접착제 바위, 부두에 충실하고 보트 피 영감을 생체 접착제 젤 선체 vessels.
- 생체 공학의 분야를 통해 훨씬 더 큰 민첩성과 다른 장점을 가진 새로운 항공기 디자인은 만들 수 있다. 이 항목은 실험 생물학 저널의 기사에서 제프 Spedding와 앤더스 Hedenström에 의해 설명되었다. [저자 = 존 J. Videler | | 제목 = 조류 비행 | 유사 문이 또한 존 Videler와 [[Eize Stamhuis] 자신의 책에 조류 비행 그리고 문서에서 그들은 과학받은 LEV에 대해에 있는 존 Videler 및 Eize Stamhuis 생체 공학 연구를 사용하여, 비행기의 날개에 실제 개선을 일 이후있다. 바이오닉 이러한 연구들 또한 더욱 효율적 헬리콥터 또는 미니어처 무인기 무인 항공기를 생성하기 위해 사용될 수 있다. 이 후자는 브렛의 문서 과학 약에 의해 언급되었다 Hummingbirds. 브레 Tobalske 따라서 지금 간첩에 사용될 수있다 이러한 소형 무인 항공기를 만드는 작업을 시작했다. UC 버클리뿐만 아니라 ESA는 마침내도 비슷한 방향에서 작업을 수행하는 방법 Robofly (소형 UAV)와 Entomopter (도보 크롤링 및 비행할 수 UAV).
용어의 특정 용도[편집]
의학에서[편집]
바이오닉스는 생물학적 개념이 공학으로, 혹은 그 반대로 흘러가는 과정을 의미한다. 따라서 이 단어의 의미에는 약간의 관점 차이가 존재한다.
의학에서의 바이오닉스는 장기나 신체 부위의 기계적 대체 또는 강화로 정의된다. 바이오닉스 임플란트는 단순한 보철물과는 달리 원래의 기능을 매우 가깝게 모방하거나, 심지어 그것을 능가하기도 한다.
독일어의 바이오닉스(Bionik)는 생물학적 모델에서 공학적 해결책을 개발하려는 광범위한 의미를 갖는다. 이는 생물학적 해결책이 진화적 힘에 의해 최적화된다는 사실에 기인한 접근 방식이다.
바이오닉스 임플란트를 가능하게 하는 기술은 점차 발전하고 있으며, 성공적인 바이오닉 장치가 일부 존재합니다. 대표적으로 호주에서 발명된 다채널 인공 와우(바이오닉 귀)가 있다. 이는 청각 장애인을 위한 장치이다. 바이오닉 귀 이후 다양한 바이오닉 장치들이 등장했으며, 시각 및 균형과 같은 감각 장애를 위한 바이오닉 솔루션에 대한 연구가 진행 중이다. 최근 바이오닉 연구는 파킨슨병과 간질과 같은 신경 및 정신 질환에 대한 치료법을 제공했다.
1997년 콜롬비아의 연구원 알바로 리오스 포베다는 감각 피드백 기능이 있는 상지 및 손 보철을 개발했다. 이 기술은 절단 환자가 의수를 더 자연스럽게 다룰 수 있도록 한다.
2004년까지 완전히 기능하는 인공 심장이 개발되었다. 나노기술의 출현으로 큰 진전이 예상되며, 나노장치의 대표적인 예로는 로버트 프레이타스가 설계한(아직 제작되지는 않음) 인공 적혈구인 레스피로사이트가 있다.
펜실베니아 대학교 생명공학과에서 8년간 활동한 크와베나 보아헨은 살아 있는 망막과 동일한 방식으로 이미지를 처리할 수 있는 실리콘 망막을 개발했다. 그는 실리콘 망막의 전기 신호를 도롱뇽 눈의 전기 신호와 비교하여 결과를 확인했다.
2015년 7월 21일, BBC의 의학 특파원 퍼거스 월시는 "맨체스터의 외과의들이 개발된 세계에서 가장 흔한 실명 원인을 가진 환자에게 첫 바이오닉 눈 임플란트를 성공적으로 이식했다"고 보도했다. 80세 레이 플린은 노화로 인해 중심 시력을 완전히 상실했으며, 미니어처 비디오 카메라에서 영상을 변환하는 망막 임플란트를 사용한다. 이 임플란트는 미국의 Second Sight Medical Products사가 제조한 Argus II로, 이전에는 유전적 퇴행성 안질환인 망막색소변성증으로 실명한 환자들에게 사용되었다.
2016년, 틸리 로키(2005년 10월 7일 출생)는 영국 바이오닉스 기업인 오픈바이오닉스에서 제조한 "히어로 암"이라는 바이오닉 팔을 착용했다. 히어로 암은 팔꿈치 아래가 절단된 성인과 만 8세 이상의 어린이를 위한 가벼운 근전동 보철이다. 15개월에 뇌수막염균 패혈증으로 두 팔을 절단한 틸리 로키는 히어로 암이 "현실적이라 소름 돋을 만큼 현실적이었다"고 설명했다.
2020년 2월 17일, 군 복무 경력이 있는 대런 풀러가 공공 의료 시스템을 통해 바이오닉 팔을 처음으로 이식받은 사람이 되었다. 풀러는 2008년 아프가니스탄에서 박격포 탄약 사건 중 오른쪽 팔의 아랫부분을 잃었다.
기타[편집]
비즈니스 생체모방은 생체모방 응용분야의한 최신 개발로, 생물학적 시스템에서 원칙과 관행을 가져와 비즈니스 전략, 프로세스, 조직 설계, 전략적 사고에 적용한다. 이 접근법은 FMCG, 방위, 중앙정부, 포장, 비즈니스 서비스 등 다양한 산업에서 성공적으로 사용되었다. 필 리처드슨이 개발한 이 접근법은 2009년 5월 영국 상원에서 발표되었다.
일반적으로 생체인식은 생물학적 프로토타입을 연구해 공학적 해결책을 얻기 위한 창의적 기법으로 사용된다.
화학에서 생체모방 합성은 생화학적 과정을 모방한 화학적 합성법을 의미한다.
또한 바이오닉스의 최근 의미 중 하나는 생물체와 기계를 결합하는 것을 지칭한다. 이 접근법은 생물학적 및 공학적 부품을 결합한 하이브리드 시스템을 생성하며, 사이버네틱 유기체(사이보그)로도 불릴 수 있다. 케빈 워릭의 실험에서는 자신의 신경 시스템을 통해 초음파 입력을 가능하게 하는 방식으로 이 개념을 실현했다.
참고자료[편집]
같이 보기[편집]
