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불가능해 보이는 일들을 수행하는 생물들
: 소금쟁이를 모방한 생체모방공학
(Nature’s creatures do ‘impossible’ things)
David Catchpoole

    몇 년 전부터 생체모방공학(biomimetics, 생물의 설계를 모방하는 공학)의 영역이 매우 넓어지고 있다. 하나님의 창조물로부터 영감을 받은 새로운 설계와 시스템이 적용된 로봇과 무인항공기들의 숫자가 증가하고 있는 것이다.[1] 카네기 멜론(Carnegie Mellon) 대학의 나노로봇공학 실험실을 이끌고 있는 메틴 시티(Metin Sitti) 조교수는 2006년에 ”자연에는 불가능해 보이는 일들을 해내는 생물들이 굉장히 많다. 이 보다 더 좋은 영감의 원천은 없다”고 말했다.[2]








물론 공개적으로 하나님을 신뢰함으로 생체모방 기술의 발전이 이루어졌다고 말하는 사람은 찾아보기 힘들다. 오히려 자연의 놀라운 진화를 칭송할 뿐이다. 성경은 ”...나 여호와가 하늘과 땅과 바다와 그 가운데 모든 것을 만들고...”(출 20:11)라고 말씀하고 있다. 오늘날 생물에서 보여지는 경이로운 설계들을 창조주에 의한 원래의 창조로 보지 않고, 무작위적인 자연적 과정에 의해 ‘진화’한 것이라고 말하는 잘못된 편견이 만연해 있다. 그러나 생물들은 의도적이고 지적으로 설계되었다고 제안할 많은 이유들이 있다. 특히 매우 뛰어난 연구자들로 구성된 연구팀이 모방한 설계라도, 여러 면에서 원작의 우수성에 미치지 못하는 것을 생각할 때, 더욱 그렇다. (심지어 공학자들이 복제하기 원하는 단 한 가지 특성에 대해서도 마찬가지이다.)

”자연에는 불가능해 보이는 일들을 해내는 생물들이 굉장히 많다. 이 보다 더 좋은 영감의 원천은 없다” - 카네기 멜론 대학, 나노로봇공학 연구소 소장, 메틴 시티(Metin Sitti)

좋은 예로서 소금쟁이(water strider)가 있다. 2005년에 로봇 공학자들은 소금쟁이가 물의 표면장력을 이용하여 물위를 스케이트 타듯 다니는 능력을 모방한 최초의 로봇을 제작했다고 발표했다.[3] (표면장력은 물방울이 구슬처럼 튀는 현상과 같은 것이다.)

물 위를 미끄러져가는 수상스케이팅 로봇(water-skating robot)은 상당한 성과를 거두었지만, 소금쟁이는 여전히 공학자들을 앞서고 있었다. 그들은 소금쟁이가 마치 단단한 땅에서 점프하듯이, 어떻게 수면에서 점프할 수 있는지를 설명할 수 없었다. 예를 들면, 한국에서 살아가는 길이 1.3cm인 소금쟁이는 자신의 길이의 6배가 넘는 8cm 이상을 점프할 수 있다.

10년의 연구 끝에 소금쟁이의 도약력을 모방한 연구진은 인상적인 발전을 이루어냈다. 고속촬영 장비를 비롯한, 여러 첨단 기술의 장비들을 사용하여, 연구자들은 소금쟁이 다리의 움직임이 물의 표면장력이 끊어지지 않을 정도로 점진적으로 가속화되는 것을 관찰했다. 그들은 소금쟁이의 다리가 가하고 있는 최대 힘이 물의 표면장력 반대쪽에 수직으로 작용하지만, 결코 표면장력을 초과하지는 않는다는 것을 발견했다. 그렇기에 다리가 가라앉지 않는 것이다. 또한 소금쟁이가 물 표면을 밀 수 있는 시간을 벌기 위해, 다리를 안쪽으로 쓸어 올린다는 것을 발견했다. 더구나 소금쟁이의 다리 끝부분은 물 표면에 형성되는 작은 굴곡에 적응하기 위해 완벽한 형태로 구부러져 있어서, 다리에 닿는 물의 표면장력을 최대한으로 이용할 수 있었다.

공학자들은 새로운 지식으로 무장하여, 경량 로봇을 만들었다. 이 로봇은 자신의 높이 만큼인 14cm를 수면에서 뛰어오를 수 있었다. (소금쟁이보다 조금 무거운 0.068g, 높이 1㎝의 이 로봇은 5㎝짜리 다리 4개로 물 위에서 최대 14㎝ 높이까지 뛰어올랐다). 소금쟁이처럼, 이 로봇은 땅에서 점프하듯이 수면에서 점프할 수 있었지만, 딱 한번만 점프가 가능하다는 점이 다르다. ”살아있는 소금쟁이와는 달리, 이 1세대 소금쟁이 로봇은 도약한 후에, 다시 떨어져서는 일어설 수 없다.”[6]

'자연의 생물'들은 자연적으로 발생하지 않고, 초자연적으로 나타났다.

궁극적으로 연구자들은 랜딩(착륙)을 조절할 수 있거나, 여러 번 점프를 할 수 있는, 또한 필요한 전자장비(예로 배터리나 센서)를 운반할 수 있는 로봇을 제작하는 것이 목표이다. 이러한 로봇은 감시, 수색, 구조작업, 환경 모니터링에 유용하게 쓰일 것으로 예상된다.

그런데 로봇의 점프 메커니즘은 소금쟁이가 아니라, 벼룩(flea)의 것을 모방한 것이다. 즉 최소 두 생물로부터 영감을 받아, 그 로봇이 제작되었다는 것이다. 연구책임자인 서울대학교 기계항공공학부의 조규진 교수는 ”자연의 생물들은 공학자들에게 많은 영감을 준다”고 말했다.[7]

그 ”자연의 생물”들은 원래 자연적으로 생겨난 것이 아니라, 우리 사람처럼 초자연적으로 생겨났다. 그러나 사람은 중요한 차이점을 가지고 있다. 소금쟁이와 벼룩과는 달리 우리는 창조주의 형상대로 창조되었다.(창세기 1:26~27) 그래서 모든 생물들 중에서 오직 사람만이 하나님이 만드신 것을 모방하고, 연구할 수 있는 능력을 갖고 있는 것이다. 그리고 사람이 만든 것들 중 하나가 하나님이 손수 만드신 것과 어느 정도 일치하는 부분이 있더라도, 그러한 설계를 누가 먼저 생각하셨는지를 결코 잊어서는 안 된다.  


Further Reading
In leaps and bounds
Brilliant engineering: the weevil ‘hip’-and-leg joint
Toothed gears in jumping insects
Walking up walls
Gecko foot design—could it lead to a real ‘spiderman’?
Desert creatures inspire ‘SandBot’
Submarines with fish fins?
‘Primitive’ cell inspires advanced robot mini-sub

References and notes
1. E.g. see creation.com/biomimetics and creation.com/burgess.
2. Quoted in ‘Mech Nuggets’, Carnegie mech—carnegie mellon 10(1):17, Fall 2006; me.cmu.edu.
3. Suhr, S., Song, Y., Lee, S., and Sitti, M., Biologically inspired water strider robot, Robotics: Science and systems, MIT, Boston, June 2005, nanolab.me.cmu.edu.
4. Vella, D., Two leaps forward for robot locomotion, Science 349(6247):472–473, 2015; doi:10.1126/science.aac7882.
5. Koh, J., Yang, E., Jung, G., Jung, S., Son, J., Lee, S., Jablonski, P., Wood, R., Kim, H., Cho, K., Jumping on water: Surface tension-dominated jumping of water striders and robotic insects, Science 349(6247):517–521, 2015; doi:10.1126/science.aab1637.
6. Schwartz, S., Robot springs off water: Inspired by water striders, lightweight bots take advantage of surface tension to leap, sciencenews.org, 30 July 2015.
7. Choi, C., Bug Bots! These insect-inspired robots can jump on water,livescience.com, 3 August 2015.


*관련기사 : 서울대, 물에서 뛰는 '소금쟁이 로봇' 개발 (2015. 7. 30. 로봇신문)
http://www.irobotnews.com/news/articleView.html?idxno=5397

자기 몸 14배 높이 점프하는 ‘소금쟁이 로봇’ 첫 개발 (2015. 7. 31. 한겨레)
http://www.hani.co.kr/arti/science/science_general/702606.html

박쥐 드론, 소금쟁이 로봇…'생물, 로봇이 되다' (2017. 2. 11. 연합뉴스)
https://www.yna.co.kr/view/AKR20170211040500017

독일, 다양한 동작 가능한 소형 소프트 로봇 개발 (2018. 1. 25. 로봇신문)
http://www.irobotnews.com/news/articlePrint.html?idxno=12933


출처 : Creation 39(3):12–13—July 2017
URL : https://creation.com/water-strider
번역자 : 미디어위원회

관련 자료 링크:

1. 생체모방공학의 최근 소식 : 리그닌, 가오리, 초파리를 모방한 공학기술 (Latest Bio-Inspired Technologies Will Improve Life)
2. 생체모방공학과 경이로운 세포에 관한 새로운 소식들 (More Reasons to Imitate Biology. Cellular Wonders Coming Into Focus)
3. 생체모방공학 분야는 지속적으로 확장되고 있다 : 뼈, 힘줄, 곰팡이, 법랑질, 효모, 곤충, 홍합, 말벌, 파리매... (Weekend Biomimetics Showcase)
4. 탁월한 방법으로 물을 모으고 있는 사막식물 대황 : 이 식물을 모방하여 건조지역의 지면피복재를 개발한다. (Desert Rhubarb—Three-Foot Oasis)
5. 박쥐의 비행을 모방한 최첨단 비행 로봇의 개발 (Bats Inspire High-Tech New Flying Robots)
6. 뼈의 미세구조를 모방하여 개량된 균열에 강한 강철 (Improved Steel Copies Bone Microstructure)
7. 생체모방공학을 통한 강렬한 희망 2 : 계속 발견되고 있는 생물들의 경이로운 능력들 (Living Surprises, Living Hopes)
8. 차세대 리더는 식물과 동물이다! (Follow the Leader: Plants and Animals)
9. 단풍나무 씨앗을 모방한 소형 비행 로봇 (Maple to the Rescue)
10. 식충식물이 R&D 수상을 이끌다 : 생체모방공학의 새로운 기술들 (Pitcher Plant Inspires R&D Award)
11. 생물에서 발견되는 경이로운 기술들 : 나비 날개의 광흡수, 소금쟁이의 부양성, 생물학적 배터리 (From Wonders of Nature to Wonders of Technology)
12. 자연이 38억 년 동안 연구개발을 했는가? : 생체모방공학의 계속되는 성공 - 해바라기, 규조류, 식물 의약품... (Nature : 3.8 Billion Years of R&D)
13. 개, 올빼미, 딱정벌레를 모방하라 : 생체모방공학은 우리의 삶을 증진시킬 것이다. (Make Like a Dog, Owl, or Beetle : How Biomimetics Will Improve Our Lives)
14. 생체모방공학 소식으로 시작되는 한 해 (Happy New Biomimetics Year)
15. 계속되는 생체모방공학의 성공 : 반딧불이, 나무, 피부, DNA, 달팽이처럼 만들라. (Make Like a Firefly)
16. 큰부리새, 굴, 거미를 이용한 생체모방공학 (What Do a Toucan, an Oyster and a Spider Have in Common? Bio-Engineers’ Drool)
17. 생체모방공학의 여러 소식들 (Biomimetics Roundup)
18. 먹장어, 도마뱀붙이, 잠자리의 생체모방공학 (Of Hagfish, Geckos and Dragonflies)
19. 개구리 발바닥을 모방하라! : 더러운 곳과 물속에서도 사용할 수 있는 접착 테이프 (A Sticky Solution : God Invented It First)
20. 광합성의 양자 비밀이 밝혀졌다. (Quantum Secret of Photosynthesis Revealed)
21. 식물이 전기 신호를 보내고 있다는 충격적 증거! (Shocking Evidence of Electrical Signals in Plants)
22. 식물을 사랑해야 될 더 많은 이유들 (More Reasons to Love Plants)
23. 동물과 식물의 경이로운 기술들 : 거미, 물고기, 바다오리, 박쥐, 날쥐, 다년생 식물 (Animal and Plant Tricks)
24. 편평한 식물 잎에 숨어있는 놀라운 설계 (Flat leaves—a curly problem)
25. 해파리 : 바다에서 가장 효율적인 수영선수! (The Ocean’s Most Efficient Swimmer Is… A Jellyfish)
26. 나비의 날개 : 방수 옷에 영감을 불어넣다. (Butterfly Wings: Inspiration for Waterproof Clothing?)
27. 놀라운 능력의 동물들 : 코끼리, 돌고래, 물고기, 꿀벌, 거미, 무당벌레 (Amazing Animals)
28. 여우는 자기장을 감지할 수 있는가? (Do Foxes Have Magnetic Senses?)
29. 생물권 전역에서 공학적 설계가 발견되고 있다. : 생체모방공학의 계속되는 행진 (Engineering Designs Found Throughout the Biosphere)
30. 역공학이 밝혀낸 이상적 추진 방식. : 생물들의 유사한 공학적 구조는 우연(수렴진화)인가, 설계인가? (Reverse Engineering Reveals Ideal Propulsion Design)
31. 모든 발명에 영감을 주고 있는 생체모방공학 (Biomimetics Is All About Design Inspiration)
32. 고양이의 수염과 일각고래의 엄니는 감각기관. 그리고 바다뱀, 초파리, 캐나다두루미의 놀라운 특성들. (Cat Whiskers and Narwhal Tusks: Why Things Are)
33. 물 위에서 걸을 수 있도록 하는 설계 : 소금쟁이 다리에서 발견된 최적화된 기하학 (Designed to Walk on Water)
34. 경이로운 공학 기술이 수백만 년의 자연적 과정으로? : 생체 모방 공학자들의 논리적 오류 (Millions of Years of Evolution Equal Engineering?)
35. 딱따구리, 혈액응고, 분자모터를 모방한 생체모방공학 (Three More Ways to Benefit from Nature’s Designs)
36. 식물도 눈을 가지고 있다. (Even the Plants Have Eyes)
37. 과학자들도 놀라는 기능들이 우연히 생겨날 수 있을까? : 거미, 빗해파리, 개미, 새, 삼나무, 개구리, 문어, 상어.. (Wonderful Lives)
38. 진화론을 거부하는 규조류 : 정교한 구조와 다양한 아름다움을 가진 경이로운 생물. (Homage to Diatoms)
39. 동물들의 새로 발견된 놀라운 특성들. : 개구리, 거미, 가마우지, 게, 호랑나비, 박쥐의 경이로움 (New Amazing Animal Discoveries)
40. 생물들의 정교한 공학기술과 최적화. : 박쥐, 말벌, 물고기, 꿀벌, 개미, 얼룩말과 생체모방공학 (Life Shows Exquisite Engineering and Optimization)
41. 문어의 피부를 모방한 최첨단 위장용 소재의 개발. (Octopus Skin Inspires High-Tech Camouflage Fabric)
42. 위장의 천재 문어는 피부로 빛을 감지하고 있었다! : 로봇 공학자들은 문어의 팔은 모방하고 있다. (The Octopus: Invertebrate Designs)
43. 생체모방공학의 새로운 뉴스들. (What’s New in Biomimetics?)
44. 생물들의 놀라운 기술과 생체모방공학 : 이러한 기술들이 모두 우연히 생겨났을까? (Inspiring Life Tricks)
45. 물총고기는 어떻게 물리학을 배웠을까? (How Did the Archer Fish Learn Physics?)
46. 여치 귀의 놀라운 설계. : 사람 귀와의 유사성이 수렴진화의 예라고? (Katydid’s amazing ear design)
47. 새들로 인해 놀라고 있는 진화론자들. : 공작, 앵무새, 벌새, 타조에 대한 진화 이야기 (Birds Surprise Evolutionists)
48. 포유동물의 놀라운 능력들 : 바다표범의 GPS, 생쥐의 후각, 동물들의 시간 관리 (Overqualified Mammals)
49. 생물들의 경이로운 능력이 계속 발견되고 있다. : 물고기의 썬크림과 고래와 작은 새의 장거리 항해. (Surprises from the Ocean 2)
50. 수염고래에서 늘어나는 신경이 발견되었다. : 고래의 먹이 행동에 관여하는 기관들은 설계를 가리킨다. (Clever Construction in Rorqual Whales)
51. 개미는 고등수학과 물리학을 사용한다. : 그리고 개미의 시각은 포유류보다 우수할 수 있다. (Ants : Invertebrate Designs)
52. 깡충거미는 사람처럼 3색 시각을 갖고 있었다. (The Spider : Invertebrate Designs)
53. 초파리는 내부 나침반을 가지고 있었다. 그리고 언제나 반복되는 수렴진화 이야기! (The Fly, Invertebrate Designs)
54. 귀의 경이로운 복잡성이 계속 밝혀지고 있다. 그리고 박쥐에 대항하여 방해 초음파를 방출하는 나방들. (The Parts List for Hearing)
55. 말벌의 독이 항암제? (Cancer Medicine in Wasp Toxin?)
56. 용각류 공룡 목의 경늑골에서 보여지는 놀라운 설계 (Amazing Sauropod Neck Design in 'Cervical Ribs')
57. 동물들은 물리학 및 공학 교수들을 가르치고 있다. : 전기뱀장어, 사마귀새우, 박쥐의 경이로움. (Animal Engineers Teach Physics Profs a Thing or Three)
58. 곤충의 경이로운 능력들. (Insects Worth Respecting)
59. 동물들이 혹한의 추위에도 견딜 수 있는 이유는? : 펭귄이 물에 젖어도 얼어붙지 않는 비밀이 밝혀지다. (How Animals Keep Warm in Freezing Wetness)
60. 동물들의 경이로운 설계 (2015년 톱 뉴스) (Top 2015 News: Amazing Animal Designs)
61. 도마뱀에서 발견되는 경이로운 특성들은 지적설계를 가리킨다. (Lizards that Leap Over Evolution)
62. 바다의 카멜레온인 갑오징어는 스텔스 기술도 갖고 있었다. (Smart and Stealthy Cuttlefish)
63. 전기뱀장어의 놀라운 능력은 진화를 거부한다. (Stunning and stealthy : The amazing electric eel)
64. 문어의 유전체는 사람의 것만큼 거대했다. (Octopus Genome as Large as Human Genome)
65. 까마귀와 앵무새가 똑똑한 이유가 밝혀졌다! : 새들은 2배 이상의 조밀한 뉴런의 뇌를 가지고 있다. (Neuron-Packed Bird Brains Point to Creation)
66. 음악가처럼 행동하는 새들은 진화론을 부정한다 : 때까치는 새로운 곡조를 만들어 노래할 수 있다. (Musical Bird Maestros Befuddle Evolution)
67. 걸어 다니는 대성당 : 거북 등의 경이로운 건축 구조 (Walking Cathedrals, Design in Nature)
68. 물고기의 지능은 원숭이만큼 높을까? (Fish as Smart as Apes?)
69. 최적 설계된 메뚜기와 게의 다리 (Optimized Engineering in Locust Legs)
70. 동물들은 생각했던 것보다 훨씬 현명할 수 있다. : 벌, 박쥐, 닭, 점균류에서 발견된 놀라운 지능과 행동 (Animals Can Be Smarter Than You Think)
71. 생물에 있는 복잡한 감지기와 '아마존 고' (Amazon Go, Creatures Depend on Sophisticated Sensors)
72. 쇠똥구리 : 초원을 보존하는 작은 일꾼 (Dung Beetles: Promoters of Prairie Preservation)
73. 벌새와 박쥐는 빠른 비행에 특화되어 있었다. (Fast Flight Specializations in Birds and Bats)
74. 생물에서 발견되는 초고도 복잡성의 기원은? : 나방, 초파리, 완보동물, 조류와 포유류의 경이로움 (Clever Critters)
75. 개구리의 경이로운 혀와 침! (Super-Sticky Spit: How a Frog Gets a Meal)
76. 1초에 800번 날갯짓을 하는 모기의 비행은 설계를 가리킨다. (High Frequency Mosquito Flight Shows Design)
77. 순록의 눈이 겨울에 파란색으로 변하는 이유는? (Why reindeer eyes turn blue in winter)
78. 구조색은 다양한 동물들에서 발견되고 있다. : 경이로운 나노구조가 여러 번 생겨날(수렴진화) 수 있었는가? (Multiple Independent Animal Types Use Structural Color)
79. 거미줄이 끈적거리는 비밀이 밝혀졌다. (Spiderweb stickiness secret)
80. 욥기에 기록된 매와 독수리로부터 배우는 교훈 (Hawks and Eagles Launching Skyward)
81. 사마귀의 3-D 입체 시각은 진화론을 기각시키고 있다. (3-D Praying Mantis Vision Confounds Evolution)
82. 새의 알에 들어있는 정보 : 알의 두께 변화, 자기장 탐지, 극락조, 송골매의 경이 (The Information Packed Into a Bird Egg)
83. 하나님의 놀라운 예술적 걸작품들 (Creation for Kids—God’s amazing artistic masterpieces)
84. 눈의 창조설계적 특성 (A Study of Human Eye’s Design)
85. 생물들이 겨울 추위를 견디는 방법. : 동결 방지 부동액을 갖고 있는 곤충들 (Withstanding Winter Weather)
 
 
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