"자연은 최고의 스승이다."

르네상스 시대 이탈리아에서 활약했던 화가이자 과학자, 공학자였던 레오나르도 다 빈치가 한 말이다. 이 말은 최근 주목받고 있는 자연모사공학, 또는 생체모방에 딱 들어맞는다. 자연모사공학이란 생물들의 생태나 신체 구조로부터 영감을 얻어 문제들을 해결하려는 기술 조류를 일컫는다.

자연모사공학이 주목받은 것은 최근이지만 역사는 오래됐다. 출발점은 재닌 M. 베니어스(Janine M. Benyus)다. 그녀는 1997년 생체모방이라는 책에서 자연의 설계와 프로세스를 모방해 '지속 가능한 해결책'을 찾아낼 수 있으리라 전망했다.

자연모사공학의 대표적인 사례로 신칸센이 있다. 세계 최초의 고속철도로 일본 첨단 기술의 상징이다. 신칸센에 문제점이 하나 있다면 바로 소음이었다. 신칸센 열차들이 좁은 터널에 빠른 속도로 진입하면 터널 내 공기가 갑작스럽게 압축되면서 압력이 높아진다. 열차가 터널에 깊이 들어갈수록 압축은 점점 더 심해져 음속에 가까운 압력파가 발생하고, 이 파동이 터널을 빠져나가면서 강력한 저주파 파장을 발생시켜 굉음을 낸 것이다.

신칸센의 엔지니어들이 눈을 돌린 곳은 바로 물총새였다. 물총새는 수면 위 1.5m 정도 높이에서 물속으로 빠르게 다이빙하며 물고기를 잡는다. 저항이 약한 매질(공기)에서 강한 매질(물)로 빠르게 진입하는 데도 물이 거의 튀지 않아 먹잇감은 뭔가를 눈치챌 겨를도 없이 당하고 만다. 물총새만의 고요한 사냥 비법은 바로 길쭉한 부리와 날렵한 머리에 있다. 날개를 접고 다이빙할 때의 물총새는 앞쪽이 가늘고 길게 튀어나온 탄환 모양이 되며, 덕분에 수면에 진입할 때 파동을 최소화할 수 있다.

물총새를 본뜬 디자인이 적용돼 탄생한 것이 바로 500계열의 신칸센이다. 1996년에 개발된 500계 신칸센은 이전의 모델들과 달리 뾰족하게 튀어나온 앞머리와 항공기를 연상시키는 날렵한 모양새가 인상적이다. 특유의 디자인 덕분에 소음을 확실하게 해결할 수 있었을 뿐 아니라 관광객에게 큰 인기를 끌기도 했다.

차세대 청정에너지로 기대를 모으는 풍력발전기에도 동물에게서 얻은 지혜가 적용됐다. 혹등고래는 이름 그대로 등과 지느러미에 혹과 같은 돌기가 잔뜩 나 있다. 물속에서 생활하는 동물이라면 물의 저항을 최소화하기 위해 피부가 매끈해야 할 것 같은데 이처럼 울퉁불퉁한 표면을 지닌 이유가 무엇일까? 혹등고래 앞 지느러미의 앞쪽에 난 작은 혹들은 유체의 흐름을 교란시키는 역할을 한다. 이 때문에 지느러미 표면 부분에는 소용돌이가 생기는데, 이들은 지느러미에 물이 착 달라붙어 흐르도록 눌러주는 역할을 한다. 그 결과 지느러미에 가해지는 유체 압력이 증가해 양력이 커지고, 이에 따라 혹등고래는 거대한 몸집을 날렵하게 움직일 수 있다. 캐나다 풍력에너지 연구소에서는 혹등고래의 지느러미에서 힌트를 얻어 풍력발전기의 회전날개에 요철을 더했다. 결과는 대성공이었다. 요철을 적용한 회전날개는 이전의 풍력발전기보다 두 배의 회전 속도를 낼 수 있었으며 항력도 줄어들어 효율이 크게 개선됐다.

김택원 과학칼럼니스트