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ISSN : 1598-4095(Print)
ISSN : 2287-7401(Online)
Journal of The korean Association For Spatial Structures Vol.18 No.1 pp.6-17
DOI :

Nature-Inspired Design of Eco-Friendly Large Space Structures

Kang-Geun Park*
**I'ST Technology Institute.

Abstract


친환경 대공간 구조물의 자연 영감 디자인

박 강 근*
*(주)아이스트 기술연구소, 공학박사

초록


    1. 서론

    자연은 인류 역사와 함께 해 왔고 인간은 자연으 로부터 많은 영감을 얻으면서 문화를 발전시켜 왔 다. 자연은 다양한 아름다움과 끊임없는 변화로 과 학으로 설명할 수 없는 생명의 근원을 제공해 주고 있다. 자연은 인간이 개발한 기술보다 더 우수한 생 체 구조를 창조하고 있다. 최근에는 자연으로부터 다양하고 신비한 미적 표현 요소와 최첨단 기술 아 이디어를 찾고자 하는 연구들이 활발히 진행되고 있다. 38억년 동안의 변화와 진화 과정에서 자연은 지구의 환경에서 최적의 것이 무엇인지, 가장 적절 한 것이 무엇인지, 그리고 마지막 것이 무엇인지를 배웠다. 최근에 많은 과학자들은 자연의 디자인 요 소, 메커니즘, 유기체 및 생체 특성 등을 연구하고 모방하고 있다. 생체 모방 연구는 자연의 신비한 많 은 요소들을 연구하고 모방하여 인류의 많은 문제 들을 해결하는 데 목적이 있다1-11).

    친환경 대공간 구조물은 일반 구조물과는 달리 매우 특수한 건축 분야일 뿐만 아니라 많은 사람들 이 동시에 이용하고 다목적 용도로 사용되므로 설 계 시 고도의 첨단 디자인 기술이 필요하다. 본 연 구에서는 신비로운 자연의 구조와 형상으로부터 자 연의 본질적인 성질의 이해와 기능을 모방한 대공 간 구조물의 자연 영감 건축을 이해하기 위해서 기 존 건축물에 적용된 몇 가지 디자인 및 기술을 조사 하여 친환경 자연 영감 디자인의 미래 기술에 관한 연구를 하고자 한다.

    2. 자연 모방 기술

    2.1 친환경 자연 모방 기술

    친환경 자연 모방 기술에 따르면 지역 농업은 그 지역에서 자랐던 식물들에게서 배워야 한다. 자연 의 식물 패턴대로 식량을 수확하기 위해서는 자연 의 생태계와 유사한 구조를 가져야 한다. 자연의 생 태계는 대부분 다년생 식물들로 이루어져 있어 다 음 해의 부활을 보장해주고, 생명력이 강한 야생식 물은 다른 생물들과 함께 자란다. 자연 생태계의 생 물들은 주변 환경과 동화되며 토양을 조성하고 해 충을 억제할 수 있다. 이처럼 자연의 안정된 시스템 을 배운 친환경 농업 기술이 시도되고 있다. 현재 농작물은 인간의 손에 길들여져 있기 때문에 적응 력이 강했던 야생식물과는 완전히 다르다. 인간은 농작물의 생산성을 높이기 위해 자연적 방어력을 대신 할 수 있는 석유화학물질을 이용해왔다. 여러 종들이 섞여 있던 집단에서 격리시켜 유전적 다양 성을 좁히고 건강한 토양을 파괴했다. 서로의 연결 이 끊어지면 전체 군집을 강화시키는 힘도 약해진 다. 생산성을 높이기 위해 고유의 식물 대신 외국 식물을, 다년생 대신 일년생을, 다품종 재배 대신 단종 재배를 지향하였다. 반복되는 화학물질, 인공 비료, 제초제는 토양 비옥도의 저하를 가속시켰다. 잡초나 해충은 어떠한 방법에도 다 죽지 않고 내성 을 갖고 살아남게 되어, 점점 더 많은 양을 필요로 하게 된다. 결국 많은 양의 화학물질, 인공비료, 제 초제는 환경오염에도 많은 영향을 주어 농업을 오 염산업으로 만들었다. 다년생 식물은 스스로 비료 가 되고 스스로 잡초를 제거한다. 상호작용을 통해 시기와 장소에 따라 비료가 되기도 하며 상리공생 을 하는 식물의 군집조합이 존재한다는 것이다1).

    2.2 바이오미미크리

    자연 모방 과학은 생물 모방(Biomimicry), 생체 모방(Biomimetics), 생체공학(Bionics), 바이오그 노시스(Biognosis) 등의 용어와 동일한 의미이다. 생물 모방(Biomimicry)은 1950년대 후반 신경계 생 물학자 Otto Schmitt에 의해서 정의되었다. 신경시 스템의 신호 처리를 모방한 전기회로를 발명하였다. 생체공학(Bionics)이란 용어는 1960년 Jack Steele 에 의해서 정의되었고 이때부터 생체 모사가 관심 을 받기 시작하였다. 근대 건축의 거장 프랭크 로이 드 라이트는 자연과 건축이 유기적인 관계를 이루 는 유기적인 건축(Organic architecture)을 강조하 였다. 자연의 형상에서 나온 구조와 형태의 발견이 조화로운 건축이라 하였다. 2008년에는 미국에서 Next generation bio-inspired material을 제안하 여 자연 모사 및 생체 모방에 대한 재료 분야 연구 를 강조하였다. 미국의 생태학자 Janine M. Benyus 는 자연을 형태 모방, 개념 모방, 계산 모방으로 분 류하였다. 유럽의 ESA(European Space Agency) 는 5단계로 분류하였고, 구조와 재료, 기구와 공정, 동작과 제어, 감지와 통신, 세대 간 모사로 정의하 였다. 영국의 Vincent 교수는 자연에서 배운 기술 을 단순히 자연의 모양을 따라하는 전체 복제, 자연 의 일부를 모방하는 일부 복제, 자연의 기능을 모방 하는 기능 복제, 복잡한 구조의 핵심을 응용한 유사 축약 단계, 인간을 대신할 수 있을 정도의 뛰어난 영감 설계 단계로 구분하였다. 독일의 연방교육연 구부(BMBF)는 기능적 모폴로지, 신호 정보 처리 및 바이오 사이버네틱스 로봇, 나노 생체 모방과 자기 조립 기술로 분류하고 있다. 일본은 생물학과 정보 기술을 융합시켜 생체 모방을 생물 규범 공학으로 체계화시켜 지속가능한 친환경 사회를 추구하고 있 다. 덴마크의 칼룬보르 시에서는 서로 연결되는 회 사가 자원이나 에너지를 공유한다. 한 회사에서 나 오는 폐(廢)증기의 일부는 다른 두 회사의 엔진을 돌리고, 남은 증기는 다른 배관을 통해 그 도시의 가정들로 보내 난방용으로 사용한다. 폐기물들이 서 로 재활용 되고 있는 것이다1).

    우리는 생물, 특히 동물로부터의 모방이 필요하 다. 동물들은 살아남기 위해서 자신의 예민한 감각 기관을 동원하거나, 생활로부터 습득한 지식을 토 대로 스스로 자신을 치료할 약을 찾아 섭취한다. 침 팬지가 기생충에 감염되었을 경우 Amygdalina의 섭취를 통해 장내 기생충을 사멸시킨다는 것이 발 견되었다. 워싱턴 대학교에서는 에티오피아 아와시 폭포에 사는 비비가 흡혈충에 감염될 경우 발삼을 섭취해 감염을 치료하였다. 원숭이들은 충치나 잇 몸 질환이 걸리지 않는데, 그것은 그들이 먹는 캐슈 나무가 충치의 주범인 뮤탄스 같은 균을 죽이는 것 으로 밝혀졌다. 곤충이나 바다생물로부터 약재를 찾는 방법도 있다. 독으로 사냥감을 마비, 중독, 분 해까지 시키는 막강한 물질은 다른 강력한 생화학 적 특성을 갖고 있다. 거미, 전갈 등의 신경화학 표 적들을 공격하는 독소를 연구하여 불안, 우울증, 뇌 졸중, 퇴행성 신경학적 질병을 치료하는 약들을 개 발하고 있다. 바다 민달팽이가 천적들로부터 거의 공격을 받지 않는다는 것에서부터 현재 항염증성 약제의 기초가 되는 화합물을 발견했다. 해면동물 인 Discodermia dissoluta로부터 추출된 약제는 이 식 수술 시 일어나는 장기 거부 현상을 방지할 수 있는 면역억제제이다. 곱상어(Squalus acanthias) 가 종종 서로 싸우는 바람에 상처를 입지만 그 상처 가 감염된 적은 없다는 점에서 착안하여, 스쿠알라 민이라는 항생제를 분리해낼 수 있었다. 신경세포 에서 cAMP가 세로토닌이 도착한 것을 인식하여, 통로 단백질을 열고 닫아 생체 내에서 분자는 특정 모양을 가지며 다른 분자의 모양을 감지할 수 있는 감촉성 프로세서를 고안해냈다. 감촉성 프로세서는 현재 컴퓨터가 0과 1로 이루어진 정보를 처리하는 데 비하여 여러 장점이 있다. 가장 대표적인 것이 양자 병렬성과 퍼지 계산법에 대한 재능이다. 분자 가 갖는 양자 병렬성이라는 양자 현상 때문에 분자 들은 에너지 지형에서 한 번에 동시에 여러 곳을 탐 색할 수 있다. 디지털적으로 가능한 모든 경우의 수 를 한 번에 하나씩 밖에 조사하지 못하는 컴퓨터에 비해 빠른 탐색이 가능하다1).

    고래의 지느러미에 있는 요철 형태의 돌기인 결 절에 대한 공기역학적 연구를 통해 이러한 신체 기 관이 양력의 손실과 항력이 결합된 감속 현상을 방 지하는 데 결정적인 역할을 한다는 것을 발견하였 다. 이러한 아이디어를 풍력 터빈에 적용하는 테스 트를 실시한 결과, 제품의 성능이 2배 정도 향상되 었으며, 항력을 절감시키는 더욱 효율적인 터빈을 생산할 수 있게 되었다. <Fig. 1>

    일본의 신칸센 고속열차는 열차가 터널을 통과할 때마다 기압의 변화로 인해 매우 시끄러운 소음이 발생되었다. 신칸센의 엔지니어들은 소음 문제를 해결하기 위하여 자연으로 눈을 돌렸고, 물총새에 게서 이와 유사한 상황이 발생된다는 사실을 발견 하였다. 물총새의 경우 대기 중에서 빠른 속도로 물 속으로 다이빙 하는 상황에서도 물을 거의 튀기지 않는다. 결국 엔지니어들은 물총새의 부리 모양을 본떠 열차의 앞면 디자인을 수정하였다. 그 결과 열 차의 속도는 이전에 비해 증가하였고 에너지 사용 이 줄어드는 효과를 얻게 되었다. <Fig. 2>

    딱따구리는 나무에 구멍을 뚫을 때 뛰어난 굴착 능력으로 유명하다. 생물들은 곤충을 사냥하고 자 신을 위한 둥지를 만들기 위해 부리를 사용한다. 딱 따구리는 구멍을 뚫을 때 초당 약 22번의 충격을 경 험한다. 딱따구리는 어떻게 이러한 충격에 견딜 수 있을까? 딱따구리는 자연 충격 흡수 장치를 가지고 있다. 버클리 대학에서 비디오 및 CT 스캔을 사용 하여 딱따구리가 기계적 충격을 흡수하도록 설계된 4개의 구조를 가지고 있음을 발견했다. 두개골 뒤에 해면질 뼈 물질의 탄성 부리와 뇌척수액은 뇌진탕 이 발생하지 않도록 진동을 억제하는 시간을 연장 하기 위해 조화롭게 작동한다. 이 개념을 기반으로 충격을 흡수할 수 있는 비행기록장치(블랙박스) 및 우주선의 장치 등을 개발하고 있다. <Fig. 3>

    오징어는 생물 발광으로 피부색을 변화시킬 수 있다. 이런 위장 능력 덕분에 생물 발광으로 의사소 통을 하거나 동료들을 끌어들이는 동안 육식 동물 로부터 숨을 수 있다. 이러한 복잡한 행동은 특수 피부 세포와 근육에 의해 생성된다. 휴스턴 대학 연 구원들은 주변 환경을 탐지하고 몇 초 만에 주변 환 경과 일치시킬 수 있는 유사한 장치를 개발했다. 광 센서가 주변의 변화를 감지하면 다이오드로 신호가 전송된다. 신호가 주어진 영역에서 열이 발생하고 열 색상 그리드가 색상을 변경한다. 이러한 인공피 부는 군사 및 상업용 기술 등에 사용될 수 있다. <Fig. 4>

    인류의 비행에 대한 시작은 새와 곤충의 비행을 관찰함으로써 영감을 얻었으며, 이러한 내용은 신 화와 역사에 기록되어 있다. 동아시아의 병마용 비 행 물체, 아들의 감옥 탈출을 돕기 위해서 날개와 깃털을 그린 그리스 신화, Leonardo da Vinci는 1480년대에 행글라이더와 헬리콥터를 포함한 비행 장치를 위해 500가지 이상의 디자인을 제안했다. 새의 날개를 기반으로 만들어진 비행 기계는 1850 년대에 Pierre Jullien이 성공적으로 시연한 역사적 인 시간으로 거슬러 올라간다. 비행에 대한 초기 공 학적 접근은 날개를 펴고 들어 올리거나 돌리거나 생성하는 것이 주축이었지만, 현대의 효율적인 비 행기의 설계는 큰 조류에서와 마찬가지로 꾸준한 공기 역학을 기반으로 한다. 대형 조류들의 활공 및 역동적인 급상승을 분석하면 항공기에 필요한 공기 역학 원리를 발견할 수 있다. 작은 새와 곤충의 나 는 모습에서 날개 메커니즘, 날개 회전, 후류, 비대 칭 유출과 같은 비정상적인 공기 역학적 메커니즘 을 발견할 수 있다. 위험 지역 측량, 항공 촬영 및 치안 감시와 같은 어플리케이션의 경우에 조작이 가능하고 특정 위치로 이동할 수 있는 탐지 불가능 한 소형 비행체가 편리하다. 비정상적인 공기 역학 원리를 채택하여 움직이는 초소형 항공기가 이러한 목표를 달성하는데 더 유리하다. 이러한 결론은 조 류와 곤충의 본질적인 특성을 기본으로 한다. <Fig. 5>

    자연에서 영감을 얻은 기술을 사용하여 다양한 변화에 적응할 수 있는 로봇을 만들 수 있으며 이들 은 다양한 환경에서 견고하고 민첩하다. 자연은 엔 지니어에게 새로운 디자인 개념과 아이디어를 제공 해 준다. 또한 자연의 창조물이 자연계에서 잘 번식 하고 적응하기 때문에 생물은 로봇의 행동을 보다 성공적으로 작동시킬 수 있는 아이디어를 제공할 수 있다. 또한 생물을 기반으로 한 로봇을 만들면 생물학자가 생물을 더 잘 이해하고 그것이 어떻게 작동하는지에 대한 새로운 통찰력을 얻을 수 있다. 현재의 로봇 기술들이 기술적 한계에 부딪치기 때 문에 자연을 향해서 문제를 해결하기 위한 영감을 찾고 있다. 연구자들이 직면한 문제들을 극복하기 위해서 진화한 많은 동물들로부터 영감을 얻은 로 봇공학 프로젝트들이 돌풍을 일으키고 있다. 풍부 하고 다양한 자연의 영역에서 로봇 연구에 영감을 얻기 전에 자연에서 영감을 얻은 디자인과 단순히 자연에서 아이디어를 복제한 디자인을 구별하는 것 이 중요하다. 단순히 인간 두뇌를 모방해서 참된 인 공지능이 만들어지지 않듯이 우리는 많은 문제들을 스스로 해결해야 한다. 진화는 동물이 특정 작업을 능숙하게 수행하고 완벽하게 수행할 수 있게 해준 다. 동물들은 속도, 리프팅 및 점프 등 다양한 작업 에 최적화되어 있다. 영감은 다양한 방식으로 자연 에서 아이디어를 가져올 수 있다. 반드시 로봇의 물 리적 모양이나 물리적 디자인을 복사할 필요는 없 다. 동물이 움직이는 방식은 동물의 생물학적 구조 또는 제어를 사용할 수 있다. 동물의 물리적 구조나 신경 모델을 사용하여 영감을 얻는다. <Fig. 6> & Table. 1, 2, 3

    Stickybot는 도마뱀붙이 발의 표면에서 영감을 받아 매끄러운 표면을 오를 수 있는 발바닥을 특별 히 디자인했다. 연구자들은 벽 등반 로봇을 만들고 싶었고 로봇 발을 끈적거리게 만드는 것이 물체에 서 발을 분리할 때 문제를 야기한다는 것을 깨달았 다. 도마뱀이 어떻게 오르는지 알아낸 후 로봇 설계 자는 이를 디자인에 적용했다. <Fig. 7, 8>

    Barbara Webb은 크리켓의 신경 모델을 기반으 로 로봇을 만들었다. 암컷 크리켓은 수컷 크리켓이 내는 짹짹 소리를 따라 수컷 크리켓을 찾는다. 수컷 크리켓은 약 4.7kH의 주파수를 가지고 있다. 마이 크로폰 귀는 로봇 앞쪽에 장착되어 앞에 있는 바퀴 와 함께 피벗 할 수 있다. 이것은 크리켓 귀가 앞다 리에 위치하여 선회하는 동안 귀가 움직이는 방식 을 모방한다. 크리켓은 신경생리학에 기초한 신경 망을 가지고 있으며, 이는 소리 신호에 대한 반응을 결정하며 실시간으로 실행될 수 있다. 로봇의 신경 모델은 크리켓의 신경생리학을 기반으로 했기 때문 에 특정 사항을 고려했다. <Fig. 9, 10>

    자연에서 영감을 얻은 디자인의 예에서 엔지니어 링 설계 및 최적화가 있다. 영감의 원천은 우리 주 변에서 흔히 볼 수 있는 곤충, 특히 개미이다. 개미 는 일반적으로 고르지 않은 어려운 지형을 쉽게 탐 색할 수 있는 민첩한 생물이다. 자신의 환경에서 복 잡한 지형을 탐색하고, 집단 작업을 하며, 협동 방 식으로 동작할 수 있는 민첩한 사회적 곤충이다. 개 미는 제한된 능력으로 서로 협력하여 더 큰 임무를 수행한다. 이러한 특성은 이동 로봇에서 필요하다. 이러한 생물체는 비슷한 기계적 액추에이터보다 크 기가 훨씬 더 큰 근육을 가지고 있으며, 신체 조직 은 인공 재료보다 더 강력하고 가벼우며 매우 작다. 자율적인 힘과 통제력을 가진 로봇을 개발하기 위 해서는 고르지 못한 지형을 조종하고, 환경 내의 물 체를 조작하고, 서로 협력하고, 다른 로봇끼리 서로 준수할 수 있어야 한다. 인공 로봇에서 어떤 기능을 구현할 것인지 결정하는 데 도움을 주기 위해 개미 의 신체적 ․ 사회적 특성을 분석해야 한다. 개미는 6 개의 다리를 사용하여 어려운 지형에서 민첩성을 발휘하므로 평평하지 않은 지형에서 어느 방향으로 나 안정적으로 이동할 수 있어야 한다. 음식을 씹고 휴대할 수 있는 기능도 있다. <Fig. 11>

    생체공학 펭귄은 자연에서 배우는 것에 대해 의 미하는 바가 크다. 혁신적인 기술을 사용하고 다 양한 디자인과 기능 원리를 창의적으로 조합하여 설계 자동화 기술의 새로운 기회를 열어 주었다. 펭귄의 몸통 디자인은 유연한 삼각대의 자동화에 사용될 수 있고, 기존의 삼각대 구성을 뛰어 넘는 작동 범위를 가지고 있다. 유연하고 적응력이 좋으 며 깨지기 쉬운 다양한 모양의 물체를 움직일 수 있다.<Fig. 12>

    3. 대공간 건축물의 자연 영감 디자인

    3.1 육각형 구조

    육각형 구조는 벌집 구조, 눈송이, 거북, 파리의 눈, 기린의 무늬, 다이아몬드, 육각수 등에서 발견 할 수 있다. 육각형 구조는 최소한의 재료로 최대한 의 공간을 확보하는 가장 경제적인 구조다. 동시에 가장 균형 있게 힘을 배분하는 안정적인 구조이기 도 하다. 정육각형 모양의 구조물은 평면에 서로 붙 여놓았을 때 변이 맞닿아 있어 빈틈이 없기 때문이 다. 물론 정삼각형, 정사각형도 틈이 생기지 않기는 마찬가지다. 하지만 정삼각형의 경우 벽면을 이루 는 재료가 많이 필요하고 공간도 좁다. 또 정사각형 은 외부의 힘이나 충격이 분산되지 않아 쉽게 비틀 리거나 찌그러져 변형되기 쉽다. 그러나 속이 빈 정 육각형은 외부의 힘이 쉽게 분산되는 구조여서 견 고할 뿐 아니라 안정적이다. 수학적으로 둘레의 길 이가 일정할 때 넓이가 최대가 되는 도형은 원이다. 물론 한 개당 넓이는 원이 가장 넓겠지만 원을 여러 개 이어붙이면 사이사이에 못 쓰는 빈 공간이 생기 기 때문에 효과적으로 공간을 활용할 수 없다. 육각 형의 벌집은 벌집 무게의 무려 30배나 되는 양의 꿀 을 저장할 수 있을 정도로 공간 활용도가 높다. 우 리 몸의 물 또한 62%가 6각수, 24%가 5각수, 14% 가 4각수이다. 인체를 구성하는 세포를 둘러싸고 있 는 물들이 대부분 육각형 고리 구조이다. 눈송이도 완벽한 육각형 구조를 하고 있다. 육각형 대칭 구조 는 에너지 절약 법칙 때문이다. 자연이 갖는 육각형 대칭 구조는 에너지를 적게 사용하기 위한 구조로 진화한 결과이다. 인삼과 도라지 등의 주요 성분인 사포닌은 육각 구조가 7~8개가 연결되어 있다. 은 행잎에서 추출하여 혈액 개선제로 사용되는 플라보 노이드라는 물질 역시 육각형이 합쳐진 구조이다. 화산 지형의 주상절리도 육각형 구조를 하고 있다. 용암이 식어 금이 생기면서 부피가 줄어 육각형 바 위가 생긴 것이다. 차세대 반도체 소재로 개발된 탄 소와 질소 기반 벤젠고리도 육각형 결정체이다. 토 성의 북극에 위치하고 있는 제트 기류가 육각형의 아름다운 모습을 하고 있는 것이 포착되었다. 토성 의 육각형 형상은 매우 강한 회오리가 불고 있는 모 습이다. 정자와 난자가 만나서 만드는 수정체도 육 각 구조이다. 건강에 좋다고 알려진 황토 흙도 마찬 가지이다. 황금의 원자 단위도 육각 결정 구조이다. 황산화 물질인 퀘르세틴의 화학 구조도 육각 구조 이다. 이러한 스칼라 에너지들이 이미 우리 생활 속 에 널리 사용되고 있다. DNA는 육각형 속에 2중 나 선형 구조로 꼬여 있다. 신소재 물질인 탄소 나노튜 브도 육각형 구조로 이루어져 있다1). <Fig. 13, 14>

    눈송이는 대칭과 복잡성의 풍부한 조합을 보여준 다. 대칭 형상은 얼음 결정의 육각형 구조의 결과이 며, 복잡성은 대기를 통해 떨어지는 개별 눈 결정들 의 자유로운 운동으로부터 비롯된다. 실제 눈송이 는 별 모양의 수상 돌기, 별 모양 판 등으로 구성된 다. 눈송이 성장은 눈송이의 결정이 대칭으로 성장 하면서 복잡한 구조를 만든다. 눈송이 성장은 분자 가 응축되어 결정을 형성한다. 이러한 결정질 물질 은 새롭고 더 나은 유형을 만드는 데 도움이 될 수 있다. 눈송이는 온도, 압력, 습도, 밀도 등에 의해 서 다양한 형태학적 특성을 갖는다. 눈송이의 성장 을 지배하는 물리적 메커니즘은 자연에서 가장 최 적화된 형태 중 하나이다1).

    영국의 남서쪽 끝에 있는 에덴 프로젝트는 육각 형 구조로 만들어진 가장 훌륭한 돔 건축물이다. 에 덴 프로젝트는 자연과 사람을 연결하는 친환경 교육 및 놀이 공간으로 세계 최대의 온실을 조성하는 밀 레니엄 프로젝트로 시작되었다. 자연과 인간의 상 생 관계를 바탕으로 동선 및 테마를 배치하고, 지역 사회와 네트워크를 강조하며, 지역의 친환경 상품 을 통한 관광 산업 활성화의 새로운 모델이 되었다. 거대한 돔형 온실로 현대판 에덴동산은 전형적인 식물원과 함께 돔 내부에 세계의 다양한 기후대를 제공한다. 거대한 돔들은 육각형 강재 프레임들이 볼트로 고정되어 있다. 매우 작은 오차로 빠르고 쉬 운 조립으로 복잡한 기하학적 돔을 경제적인 구조 로 구현하였다. 매우 가볍고 투명한 ETFE 필름 쿠 션 시스템을 적용하였다. 1억 2천만 유로의 프로젝 트는 대성공을 거두었고, 2001년 3월 개장한 이래 수천 명의 방문객이 식물원 정원을 즐기고 있다. 에 덴 프로젝트는 영국 언론에 의해 세계의 8번째 불가 사의라 불린다9),10). <Fig. 15>

    식물, 사람, 자원 사이에서 지속가능한 미래를 향 해 나아가는 아이디어는 Tim Smit에 의해 제안되 었다. 새로운 세대를 창조하여 미래 세대를 놀라게 할 식물의 연구와 교육을 통해 지속가능한 환경의 중요성에 대해 방문객을 교육시키는 것을 목표로 했다. 세계 최대의 생물체 창출을 위한 많은 혁신적 인 아이디어를 모색했다. 습한 열대 생물 군집, 온 대 생물군 및 습기가 많은 열대성 생물군 등이 있 다. 이 디자인은 구조적으로 안정적이어서 대공간 의 바이오 돔은 240m 스팬에서도 내부 지지대가 필 요하지 않다. 또한, 그리드형 네트워크를 구성하는 모든 스틸튜브는 비용을 절감하면서 작은 부품으로 현장으로 쉽게 운반되었다. 에너지 효율 측면에서 볼 때, 반구형 돔은 습기가 많은 열대 생물 군집에 필요한 난방을 보존하는데 도움이 된다. 이는 구형 이 다른 형태의 표면적과 비교하여 가장 많은 양의 볼륨을 가지고 있기 때문이다. ETFE는 매우 가벼운 소재이다. 또한, 돔은 표면이 스스로 청소되는 장점 이 있어 이 프로젝트에 사용할 수 있는 완벽한 제품 이다. 또한 식물의 건강한 발달에 필수적인 햇빛 투 과율이 매우 우수하다9),10). <Fig. 16, 17>

    에덴 프로젝트의 돔 구조 네트워크는 2개의 동심 원 구형 네트워크이다. 외부 그리드는 육각형 네트 워크로, Hex-Net구조 이다. 내부 그리드는 삼각형 과 육각형으로 구성되며 Tri-Hex-Net이다. 네트 워크를 생성하려면 2개의 다면체를 구의 중심에 대 해서 이중으로 배치해야 한다. 공간 네트워크는 규 산염(SiO4)과 같은 특정 미네랄의 분자 구성과 매 우 유사하다. 다른 특성 중에서도 이러한 자연 결정 형성은 최소한의 재료 소비로 최소한의 에너지 경 로를 제공한다. 에덴 프로젝트 돔의 3차원 기하학적 배열은 시각적으로 매력적인 외관을 가진 경제적인 구조 시스템을 가능하게 한다. 돔의 육각형은 특별 한 조치가 취해지지 않는 한 일반적으로 평면이 아 니다. ETFE 클래딩은 지지 모서리 프레임의 구성 및 조립을 용이하게 하지만 예기치 않은 접힘과 주 름이 생기지 않는 육각형이 되도록 했다9),10).

    연결부는 원형 또는 직사각형 중공 관을 볼트로 결합할 때 MERO 시스템에 사용하는 노드 형태를 개선한 것이다. 이 연결부는 상부 파이프와 연결되 기 때문에 피복재를 파이프 위에 올려놓을 수 있다. 볼은 주철로 만들어졌으며 무게는 약 80kg이다. 각 노드는 오차를 최소로 제한하는 컴퓨터 지원 기계 로 절단 및 드릴링이 되었다. 파이프는 응력 설계에 의해서 지름 193.7mm를 사용했다. 돔을 형성하는 데 필요한 모든 기하학적 각도가 노드에 결정되고, 그 면은 직사각형으로 절단되어 빠르고 효율적으로 제조할 수 있다. 각 끝단에서 플레이트가 용접되고 상부에서 받침구멍이 절단된다. 높은 강도의 볼트 (M27 및 M36)는 볼 노드에 대한 연결에 사용되었 다. 추가로 M16을 사용하여 파이프를 올바른 위치 에 고정시키고 비틀림 모멘트를 전달했다. 보의 상 부에는 쿠션용 알루미늄 프레임을 지지하는 짧은 브래킷이 용접되었다9),10). <Fig. 18>

    800개 이상의 육각형 프레임에는 공기 충진 쿠션 이 있다. 투명한 EFTE의 재료는 두께 0.05mm에서 0.2mm 사이이고 폭은 1.5m이다. 쿠션은 3개의 레 이어로 구성되고, 상부 및 하부 층은 쿠션의 형태를 형성하고 외부 하중에 저항한다. 이들 사이의 추가 층은 온도 절연을 강화하고, 공기 누출 시 공기 공 간을 분할하는 기능을 갖는다. 쿠션은 알루미늄 프 레임의 상단 현을 연결한다. 각 쿠션은 공기 공급 시스템에도 연결되고, 쿠션 내부의 압력은 약 300Pa 이다. 팽창된 쿠션의 최대 높이는 최대 스팬의 약 10~15%이다. EFTE는 20년 이상 사용할 수 있으며 매우 가볍고 투명하다. 표면 또한 매우 매끄럽기 때 문에 외부의 먼지가 비에 흘러내린다9),10). <Fig. 19, 20, 21>

    3.2 거품 구조 디자인

    사람들은 일반적으로 버블 파이프 또는 플라스틱 막대를 사용하여 공기 중에 거품을 불어 넣는다. 거 품이 날리는 놀이는 때로는 경이로운 발견 가능성 에 큰 역할을 한다. 거품은 아름다운 색상과 구(球) 모양을 가지고 있다. 과학자들은 거품 구조가 갖는 자연의 원리에 관심을 가지기 시작했다. 다양한 방 법으로 비누 필름을 비틀면 여러 재미를 얻을 수 있 다. 비누 용액 트레이에 프레임을 놓거나 비누 필름 창이 형성되도록 조심스럽게 프레임을 잡아당긴다. 여러 가지 방법으로 뒤틀어보고 흥미로운 모양을 만들 수 있는지 확인할 필요가 있다. 스트로와 스트 링 프레임을 비정상적인 패턴으로 묶고, 2개의 비누 막을 서로 접촉시킨 다음 천천히 움직이면서 한 프 레임을 다른 프레임으로 통과시킨다. 거대한 풍선 과 같은 공기 지지 돔 건축물은 거품 구조로부터 영 감을 얻은 좋은 예이다. 독일의 건축가 Frei Otto는 막 구조, 돔 구조, 팽창식 구조 등을 설계하기 위해 서 비누 거품을 자주 사용했다. 비누 거품으로 만든 패턴은 돔형 구조물을 위한 모델이 될 수 있다. 거 품을 모델로 사용하여 미래의 새로운 건축물을 설 계할 수 있다. 거품 벽이 교차하는 방식, 큰 거품과 작은 거품 사이의 가장 자연스러운 결합 관계, 그리 고 거품들이 스스로 자기 결합하는 방식을 연구할 수 있다. 7개의 거품 구조에는 오각형 구조가 6개인 외부 거품과 중심에는 1개의 육각형 구조가 발견된 다. 비누 필름은 흥미로운 특성을 가지고 있다. 특 정 종류의 용기 또는 틀에 도금 처리된 경우, 수축 하는 경향이 있고, 비누 필름 및 기포는 특별한 형 태와 구성을 취한다. 흥미로운 패턴 변화 및 텍스처 는 단일 버블 필름 또는 여러 그룹의 텍스처에서 연 속적으로 발생한다. 비누 필름에서 몇 가지 색상을 볼 수 있는지, 색상이 레이어를 형성하는지, 소용돌 이 모양인지, 색상은 어떻게 움직이고 변화하는지, 패턴을 다른 각도에서 바라보는 모습은 어떤지, 크 고 작은 거품이 겹쳐지는 모양 등에 대한 관찰이 중 요하다11). <Fig. 22, 23, 24>

    비누 거품 구조는 최소 에너지 소비로 공간을 채 우는 기능이 있다. 거품의 기하 형태는 구형이 아니 지만 약간 구부러진 모서리와 면을 가진 다면체이 다. 비누 거품들은 대기환경에 맞는 자기 조립의 기 능이 있다. 비누 거품 구조에 대한 매력적인 점 중 하나는 항상 표면을 최소화한다는 것이다. 자유롭 게 떠다니는 비누 방울은 항상 구형이고, 평평한 틀 의 비누 막은 항상 평평하다. 비누 필름의 면적은 두 경우 모두 최소이다. 비누 필름은 초기 구속 조 건을 변경할 수는 없지만 표면 모양을 변경할 수 있 다. 최소 곡면은 모든 점에서 0과 같은 총 곡률을 갖는 것을 특징으로 한다. 즉, 표면의 모든 점에 대 해 일정한 양의 곡면이 있는 경우 동일한 점에서 곡 면은 같은 양의 법선 방향으로 곡선을 이룬다. 비누 막은 주어진 부피를 커버할 수 있는 최소한의 영역 을 나타낼 것이라는 점에서 모든 종류의 비누 필름 에 최소 구조라는 이름을 사용할 수 있다. 그러나 최소한의 표면과 최소한의 구조는 다르다. 최소한 의 표면 및 구조는 종종 매우 아름다운 모양이다. 비누 방울은 갇혀있는 공기가 서로 분리되어 있고, 외부가 매끄러운 곡면으로 되어 있다. 표면 장력은 표면적을 최소화하여 각 표면을 단단히 잡아당기는 경향이 있다. 공기와 외부 대기의 갇힌 영역의 서로 다른 압력에 의해 균형을 유지한다. 따라서 구형의 비누 방울은 대기압보다 높다11). <Fig. 25>

    Kelvin은 공간이 어떻게 같은 부피의 셀과 최소 한의 표면적으로 나눌 수 있는지에 대한 질문을 제 기했다. 이것은 거품이 자연적으로 최소한의 표면 적을 갖는 형태를 취하기 때문에 동일한 크기의 비 누 거품이 어떤 형태의 거품을 취할 것인지를 묻는 것과 같다. 그는 약간 구부러진 육각형 면을 가진 잘린 팔면체의 격자라고 추측했다. 이 구조의 14면 다면체를 켈빈구조라 한다. 벨기에의 과학자인 Plateau는 비누 방울을 연구했고 3면에서 결합하는 방식에 대한 규칙을 고안했다. 물리학자 Denis Weaire와 Robert Phelan은 크리스탈 구조에 적용 하여 켈빈구조를 개선한 Weaire-Phelan 구조를 발 견했다. 이러한 구조는 베이징 올림픽 수영장의 공 간을 분할하는 가장 효율적인 디자인으로, 거품처 럼 보이는 ETFE 패널로 비누 방울 배열의 기하학을 기반으로 한다. 워터큐브는 온실 역할을 하도록 설 계되었다. ETFE는 전체 건물에 자연광을 높은 수준 으로 허용하고 수영장을 가열하기 위해서 태양의 힘을 활용한다. 이 지속가능한 개념은 수영장 홀의 에너지 소비를 약 30% 줄인다. 열 질량 저장 장치 를 사용하면 낮의 햇빛으로 건물에서 얻는 열을 밤 동안 냉각시켜 상쇄시킬 수 있다. 수영장을 둘러싸 고 있는 수영장 물과 중량이 많은 표면의 열 질량은 낮에는 과도한 열을 효과적으로 저장하고 밤에는 다시 방출하여 부하 변동을 최소화한다. 대형 수영 장 홀의 에너지 소비는 기계 시스템에서 환기 원리 를 사용하여 크게 감소시킨다. 성층화의 개념은 큰 냉각 부하를 발생시키지 않으면서 높은 태양열 이 득을 달성하는데 중요하다. 이러한 넓은 공간에서 공기의 성층화를 허용하고, 기계 시스템은 특정 공 간에 냉각을 하므로 냉각 부하가 줄어든다. 에어컨 은 비(非)수영장 및 사무실 구역을 여름에 약 23℃ 로, 수영장은 28~30℃로 유지해야 한다. 외벽은 Weaire-Phelan 구조를 기반으로 비누 거품의 자연 적인 패턴으로 되었다. 실제 Weaire- Phelan 구조 에서 각 셀의 모서리는 각 정점에서 109.5도 각도를 유지하기 위해 만곡되어 있지만 실제는 직선으로 설계되었다. Weaire-Phelan 패턴은 Kelvin이 제 안한 거품 구조보다 더 불규칙하고 유기적인 패턴 이다. Weaire-Phelan 기하학을 사용하는 Water Cube의 외장 클래딩은 4,000개의 ETFE 기포로 이 루어져 있고, 지붕에는 7가지, 벽에는 15가지 사이 즈가 있다12). <Fig. 26>

    4. 결언

    자연 영감 디자인 분야는 오늘날 건축가 및 디자 이너들에게 매우 중요하고 유용한 분야이다. 자연 은 많은 디자이너에게 창조적인 아이디어와 친(親) 자연 디자인의 개발을 위한 무한한 영감을 제공해 준다. 생체 모방 연구는 자연의 기능, 조직, 프로세 스 등으로부터 미래 첨단기술의 혁신을 이룩하고 있다. 건축가들은 건물의 설계 또는 시스템에서 자 연을 모방하여 지속가능한 친(親)자연 건축 디자인 및 기술을 개발하고 있다. 선진국을 중심으로 생체 모방 로보틱스, 생체 모방 나노 기술, 산업 디자인 및 친환경 건축 디자인 등에 관한 생체 모방 과학 연구에 역점을 두고 있고, 생체학자, 물리학자, 공 학자, 과학자, 건축가, 디자이너의 협력도 긴밀하게 이루어지고 있다. 현재 인류가 해결하기 어려운 기 술적 난제의 해법을 자연에서 찾을 수 있을 것으로 생각한다. 건축물의 디자인 및 기술 분야에서도 건 물의 형상과 기능을 자연에서 영감을 얻어 인간과 자연이 서로 공존하는 조화로운 친(親)자연 도시를 건설하고, 지역의 랜드마크적 기능과 아름다운 도 시의 이미지를 다양화하여 보다 친환경적이고 건강 하며 쾌적한 최적의 주거환경을 구축하는 것을 목 표로 하고 있다.

    Figure

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    Turbine blade inspired by humpback whales2)

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    Japan Sinkansen train inspired by the beak of kingfisher bird3)

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    Absorbing shock like a woodpecker4)

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    Cephalopod camouflage5)

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    Leonardo da Vinci flying machine based on the structure of bird wing

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    Bird-inspired airplane6)

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    A cheetah, two elephants and a rhinoceros beetle7)

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    Stickbot

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    A real cricket and a robot cricket

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    A hexapod robot inspired by ant body

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    A penguin robot

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    Nature-inspired robots

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    Honeycomb structure

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    A whirlwind of Mars

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    Snowflake (a) Stellar dendrite (b) Stellar plate (c) Sectored plate8)

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    Eden project9)

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    Detail of Eden project

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    Silicate molecular

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    A bowl node

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    Details of the chord and bowl node

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    Election of bio-domes

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    400 bubble structures

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    200 bubble honeycomb structures

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    3D space-filling structures

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    A catenoid by soap film

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    2008 Beijing Olympic swimming pool

    Table

    Nature's creatures are capable of many complex tasks

    Evolution has allowed animals to perform and perfect certain tasks very skilfully

    Animals possess many desirable qualities for robots

    Reference

    1. K.G. Park , J. Kim (2018) Design Characteristics of Nature-Inspired Architecture., LAP Lambert Academic Publishing, ; pp.1-128
    2. https://www.youtube.com/watch?v=_5i_QJyL3mI
    3. https://www.youtube.com/watch?v=pynSWVdphH4
    4. https://www.digitaltrends.com/cool-tech/biomimicry/
    5. https://www.digitaltrends.com/cool-tech/biomimicry-examples/
    6. https://www.researchgate.net/publication/288448250_Aerodynamics_of_bird_and_insect_flight
    7. http://www.cs.bham.ac.uk/-rjh/courses/NatureInspiredDesign/2009-10/StudentWork/Group1/Nature%20Inspired%20Robotics2.pdf
    8. https://math.mit.edu/research/highschool/primes/materials/2014/Li-Jessica.pdf
    9. http://www.studioseverini.eu/res/DocumentiPDF/eden_project_english.pdf
    10. http://www.studioseverini.eu/res/DocumentiPDF/eden_project_english.pdf
    11. http://www.arvindguptatoys.com/arvindgupta/bubblesbz.pdf
    12. http://www.ingenia.org.uk/Content/ingenia/issues/issue33/Carfrae.pdf