자동차 차체 금형의 품질과 장비 수명은 롤 성형 엔드 이펙터의 롤러 표면 마모 상태에 크게 좌우됩니다. 본 연구는 이러한 문제를 해결하기 위해 진주층 표면 미세구조에서 영감을 받은 생체 모방 롤러 설계 전략을 제안합니다. 이를 위해 텍스처-형상 매핑 모델을 구축하고 다중 스케일 기계적 및 트라이볼로지 성능 분석을 수행했습니다.
시뮬레이션 결과, 동일한 깊이-폭 비율 조건에서 아치형 홈을 가진 롤러가 수직 및 마름모형 홈 롤러에 비해 가장 낮은 마찰 에너지 손실과 가장 높은 주응력을 보였습니다. 마찰 마모 시험을 통해 이 구조의 우수성이 검증되었으며, 아치형 홈 롤러는 수직 및 마름모형 텍스처 롤러보다 마찰 계수, 마모 깊이, 마모 질량이 현저히 낮아 뛰어난 내마모성을 입증했습니다.
이를 바탕으로 황금분할법을 이용해 아치형 줄무늬 롤러의 깊이-폭 비율 구조를 최적화하여 0.775의 최적 비율을 도출했습니다. 최적화된 롤러는 일반 롤러에 비해 롤링 방향 최대 주응력이 18.3% 증가했으며, 롤링 마찰 에너지는 70.28% 감소했습니다.
본 연구는 생체 모방 텍스처가 롤러의 표면 응력 분포 및 트라이볼로지 성능을 크게 향상시킬 수 있음을 보여줍니다. 이는 자동차 차체 제조 공정의 안정성과 지능형 장치의 신뢰성을 높이는 데 이론적 지원과 혁신적인 해결책을 제공합니다.
인체 활동 상태를 평가하기 위해서는 호흡 및 땀 상태를 실시간으로 동시에 모니터링하는 것이 매우 중요합니다. 본 연구는 부활초(Selaginella lepidophylla)에서 영감을 받아 생체모방 비대칭 셀룰로스 나노섬유/그래핀 산화물(CNF/GO) 필름 기반의 자가 발전 다중 모드 센서를 개발했습니다.
재료 수준에서는 경사 건조 및 일방향 각인 방식을 통해 비대칭 필름을 제작했으며, 습도 자극 하에 최대 55°의 굽힘 각도를 달성했습니다. 소자 수준에서는 PTFE와 통합된 TENG 센서가 최대 2.564V의 출력 전압을 기록했습니다. 이 센서는 공기 흐름 및 수증기에 대해 뚜렷한 시간적 특성과 간섭 방지 능력을 보였으며, 500회 반복 부하 후에도 안정적인 성능을 유지했습니다.
응용 수준에서 센서는 다양한 호흡 패턴과 신체 부위별 땀 변화를 효과적으로 구별했으며, 휴식, 유산소 및 무산소 조건에서의 생리 신호 모니터링을 가능하게 했습니다. 전문 운동선수를 대상으로 400m 달리기, 테니스, 배구, 농구 등 4가지 스포츠에 대한 웨어러블 실험을 수행했습니다.
센서는 운동 전후의 호흡 및 땀 신호 변화를 정확하게 포착했습니다. 관찰된 신호 차이는 스마트워치의 에너지 소비량 등급과 잘 일치하여, 다양한 운동 강도에 따른 생리적 반응 변화를 효과적으로 구별할 수 있음을 입증했습니다.
식물이 근육 없이도 빠르게 움직이는 능력은 끈끈이주걱의 포충엽 폐쇄에서 잘 나타나며, 이는 식물 생체역학 분야의 오랜 난제였습니다. 포충엽 폐쇄는 탄성 불안정성을 포함하지만, 그 활성 기계적 동인은 불분명했습니다.
본 연구에서는 현장 수압 및 기계적 측정(in situ hydraulic and mechanical measurements)을 통해 이러한 전환을 유도하는 동력원을 규명했습니다. 포충엽 폐쇄는 물 수송만으로는 설명할 수 없을 정도로 빠르게 발생하며, 이는 비수압적(nonhydraulic) 메커니즘이 작용함을 시사합니다.
핵심 발견은 표피 세포벽의 급격한(약 1초) 연화였습니다. 이 연화는 포충엽에 저장된 탄성 에너지를 방출하여 폐쇄를 유도합니다. 이는 식물에서 보고된 세포벽 역학의 가장 빠른 조절 사례입니다.
본 연구 결과는 재료 특성의 동적 조절에 기반한 식물 운동성 방식을 밝혀냈으며, 근육 없는 생체 모방 구동(bioinspired actuation) 원리를 제안합니다.
