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거북복 헤엄 역설은 없었다!
[일러스트가 있는 과학에세이] 일러스트가 있는 과학에세이 108

미식가들이 침을 삼키는 복어의 친척 가운데 거북복(복어목 거북복과)이라는 정말 특이하게 생긴 물고기가 있다. 몸통이 곡면이 아니라 각진 형태이기 때문이다. 특히 노랑거북복은 학명 오스트라시언 큐비쿠스( Ostracion cubicus)에서 알 수 있듯이 주사위가 연상되는 정육면체(cube)에 가깝다. 내골격뿐인 물고기라면 말랑말랑한 살만으로 이렇게 각진 상태로 유지되기 어려울 것이다. 거북복이라는 이름에서 알 수 있듯이 이 녀석들은 비늘이 6각형 형태로 변형돼 서로 달라붙어 골질판을 이루고 있다. 일종의 외골격인 셈이다.

거북복은 천적으로부터 몸을 지키는 방어수단으로 이 외골격을 진화시킨 것으로 보인다. 즉 몸 전체가 단단한 골질판에 둘러싸여있기 때문에 아주 입이 크거나 턱이 강력한 물고기가 아니고서는 잡아먹기가 만만치 않다. 그런데 이런 둔탁한 생김새에도 거북복은 유선형인 다른 물고기만큼이나 물의 저항을 덜 받는 것으로 알려져 있다. 몸길이 방향의 모서리 네 곳이 약간 융기돼 주변에 작은 소용돌이를 일으키면서 항력(진행방향과 반대방향의 힘)을 상쇄시키기 때문에 몸의 안정성을 유지할 수 있다.

그럼에도 불구하고 거북복은 거의 제자리에서 불과 1초 만에 몸의 방향을 180도 돌릴 수 있는 조정능력이 있다. 몸의 구조가 물의 흐름에 대해 안정하게 디자인될 경우, 즉 흐름 방향으로 향하게 될 경우 이처럼 방향을 재빨리 바꾸는 조정력이 떨어지기 마련이다. 따라서 안정성과 조정력을 동시에 지니고 있는 거북복의 능력에 대해 과학자들은 '거북복 헤엄 역설(boxfish swimming paradox)'이라는 이름을 붙여줬다.

네 모서리의 융기로 물의 흐름에 대한 저항을 줄인 거북복의 몸 디자인에 영감을 받아 독일의 자동차회사 메르세데스벤츠는 2005년 컨셉트카 바이오닉을 내놓기도 했다. 물과 공기는 다 같이 유체이기 때문에 물의 저항을 줄여준다면 공기의 저항도 줄일 것이기 때문이다.
주둥이에서 받는 항력 커
최근 학술지 '영국왕립계면학회지'에는 거북복의 헤엄 역설을 규명한 논문이 실렸다. 이에 따르면 지금까지 미스터리로 여겨졌던 안정성과 조정력 동시 확보는 사실이 아닌 것으로 나타났다. 즉 거북복의 모서리 융기만 고려하면 안정성이 있는 것으로 나오지만 몸 전체를 고려하면 오히려 불안정하다는 것.

연구자들은 3D프린팅으로 거북복 두 종의 형태를 만든 뒤 이를 수조에 넣어 물의 흐름을 일으켜 항력을 측정했다. 그리고 컴퓨터 시뮬레이션도 병행했다. 그 결과 예상과는 달리 다양한 방향에서 물의 흐름이 올 때 거북복의 정면이 흐름의 방향을 향하지 않고 오히려 직각 방향으로 틀어지는 것으로 나타났다. 즉 몸이 물의 흐름을 타지 못하고 기우뚱하는 것이다. 이는 거북복의 주둥이에서 항력이 커 생긴 불안정성이 모서리 융기의 안정성을 압도하기 때문이다.

실제 거북복은 지느러미가 5개 있어(가슴 한 쌍, 등, 뒷, 꼬리) 이를 움직여 자세를 조정할 수 있기 때문에 단순히 몸통 모형을 갖고 한 실험이나 시뮬레이션의 결과보다는 안정성이 클 것이다. 그럼에도 고등어 같은 유선형 물고기의 안정성에는 미치지 못할 것이라는 게 연구자들의 주장이다. 그렇다면 거북복은 왜 안정성을 희생하고 조정력을 높이는 방향을 택했을까.

이는 거북복의 서식지를 보면 알 수 있다. 즉 거북복은 산호초 같은 복잡한 지형지물이 있는 환경에 살고 있기 때문에 속도보다는 장애물을 피해 요리조리 다닐 수 있는 조정력이 생존에 더 중요했던 것. 또 모서리의 융기도 물의 흐름이 갑자기 바뀔 때 몸통이 돌아가지 않도록 막아주는 역할을 한다고 설명했다.

그렇다면 메르세데스벤츠의 컨셉트카 바이오닉은 어떻게 된 것일까. 바이오닉이 거북복에서 선택한 건 전체 몸이 아니라 네 모서리에 융기가 있는 몸통의 형태뿐이다. 즉 앞부분은 항력이 큰 거북복과는 달리 유선형의 모양을 하고 있다.

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거북복 헤엄 역설은 없었다! [일러스트가 있는 과학에세이] 일러스트가 있는 과학에세이 108 미식가들이 침을 삼키는 복어의 친척 가운데 거북복(복어목 거북복과)이라는 정말 특이하게 생긴 물고기가 있다. 몸통이 곡면이 아니라 각진 형태이기 때문이다. 특히 노랑거북복은 학명 오스트라시언 큐비쿠스( Ostracion cubicus)에서 알 수 있듯이 주사위가 연상되는 정육면체(cube)에 가깝다. 내골격뿐인 물고기라면 말랑말랑한 살만으로 이렇게 각진 상태로 유지되기 어려울 것이다.

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덕현

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정지아(=θωθ=)

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카멜레온은 피부색을 바꾸기 위해,피부 속 광결정 구조의 간격을 조절한다. 광결정은 특정 파장의 빛만 반사 시키는데,광결정 구조의 간격에 따라 반사시킨 빛의 색깔이 다르게 나타난다.최근 이러한 광결정 기반 색 변화를 모사하려는 연구가 많은 관심을 받고 있다.

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부레옥잠이 물에 드는 이유는 공기주머니에 공기가 있어서 그 공기로 물위를 들수있다.

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선인장은 줄기가 굵어 물을 흡수하기에 좋다.
선인장의 가시모양의 잎은 동물로부터 선인장을 보호 하고, 수분을 덜 흡수한다.
-주연☆-

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끈끈이 주걱 벌레를 먹는이유

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끈끈이 주걱 벌레를 먹는이유

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끈끈이 주걱은 습지대에 살기떄문에 광합성도 물도 잘 안받아서 보충으로 벌레를 잡아 추가 영양분을 얻습니다 이런 식물들을 식충식물이라고 합니다

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예시) 연잎과 물방울의 관계(방수 원리 )

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예시) 연잎과 물방울의 관계(방수 원리 )

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출처: 예수님도 부처님도 좋아하는 과학

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달맞이꽃은 온도에 민감하기 때문에 낮보다 기온이 낮은 밤에 핀다.

김지유

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모든 물체가 낙하할때는 중력 가속도가 붙습니다.
중력가속도=지구의 질량과 물체의 질량의 곱에서 지구의 반지름의 제곱을 나눈값과 같다는 공식 입니다. 이 공식에 개미의 질량을 대입해 보면 거의 충격을 받지 않습니다.
그리고 배자루마디 즉 배 뒤에있는 관절이 있는데 그 기관은 매우 유연하여서 자유자재로 움직일수 있습니다. 그리고 눈에는 안보이지만 개미의 온몸이 미세한 털로 뒤덮여 있습니다.
성현

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출처: 구글(우리들의 이야기)

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김성준

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지아

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지아

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발명 시리즈 4탄 개미

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발명 시리즈 4탄 개미

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지유💜

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발명 시리즈 2탄 알로에

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발명 시리즈 2탄 알로에

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해은💜

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성현

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예시) 내가 설계한 것 소개하기

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예시) 내가 설계한 것 소개하기

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흑등고래-혹등고래-조개껍질 모방한 저소음·고효율 에어컨 팬 개발

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흑등고래-혹등고래-조개껍질 모방한 저소음·고효율 에어컨 팬 개발

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고탄성 거미줄 - 인공 거미줄

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고탄성 거미줄 - 인공 거미줄

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물총새-일본 신칸센 열차

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물총새-일본 신칸센 열차

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김성준

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상어의 피부 - 수영복

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상어의 피부 - 수영복

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식물의 광합성 - 태양열전지판

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식물의 광합성 - 태양열전지판

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단풍나무 씨앗 -> 프로펠러

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단풍나무 씨앗 -> 프로펠러

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거미줄=잘 안 찢어지는 옷

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거미줄=잘 안 찢어지는 옷

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지유

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파리의 눈 - 카메라 렌즈

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파리의 눈 - 카메라 렌즈

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서도현

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거미줄-쉽게 안 찢어지는 옷

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거미줄-쉽게 안 찢어지는 옷

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이보윤🚄

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물총새-일본기차 앞부분

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물총새-일본기차 앞부분

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지유

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대머리 독수리 -> 비행기

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대머리 독수리 -> 비행기

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물총새 - 기차 앞부분

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물총새 - 기차 앞부분

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김성준

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김규림

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파리눈- 카메라의 렌즈

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파리눈- 카메라의 렌즈

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홍합 -> 수술용 접착제

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홍합 -> 수술용 접착제

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서도현

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잠자리 - 초소형 비행체

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잠자리 - 초소형 비행체

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출처g마켓
성현

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출처 구굴
성현

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거미의 거미줄-부드럽고 탄력있고 쉽게 안찢어지는 옷

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거미의 거미줄-부드럽고 탄력있고 쉽게 안찢어지는 옷

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출처 구글
성현

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게코도마벰-의료용 부착 벤드

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게코도마벰-의료용 부착 벤드

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자연을 모방해 산업에 응용[출처:유트브YTN사이언스 채널]

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자연을 모방해 산업에 응용[출처:유트브YTN사이언스 채널]

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주연^~^

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자연을 모방해 산업에 응용하는 생체모방과학 / YTN 사이언스

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흰개미집-건물[출처:네이버,특허청공식블로그]

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흰개미집-건물[출처:네이버,특허청공식블로그]

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주연^~^

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거북복-유선형의 자동차[출처:구글,]

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거북복-유선형의 자동차[출처:구글,]

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거북복-거북복모양의 자동차

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거북복-거북복모양의 자동차

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생체모방 기술의 진화 (출처:네이버 뉴스)

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생체모방 기술의 진화 (출처:네이버 뉴스)

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해은💜💙

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우리가 쓰는 생활용품 가운데는 동물의 생존 역량에서 아이디어를 따온 것들이 많습니다.

오랜 세월 진화를 거듭하며 최적화된 생존 능력을 가진 동물을 모방한 사례를 김학재 기자가 소개합니다.

몸 길이 15m, 몸무게 30톤인 혹등고래가 민첩하게 물살을 가릅니다.

뛰어난 수영 비결은 가슴지느러미에 난 독특한 돌기입니다.

실험 결과 돌기가 있으면 공기가 매끄럽게 흘러가지만, 없으면 저항 때문에 뒤쪽에 빈 공간이 생겨납니다.

물결 모양으로 파인 조개 껍질의 홈도 저항을 줄여줍니다.

혹등고래의 돌기와 조개의 홈을 모방해 만든 에어컨 통풍기의 날개입니다.

공기의 저항을 최소화했습니다.

사용철(가전업체 연구위원) : "6마력을 증가하는 데 기여하였고 실외기에서 발생하는 소음 2데시벨을 저감하고 시스템 전체적으로 에너지 효율을 10% 향상하는 데 기여하였습니다."

공기 저항을 줄여 효율을 높이는 생체 모방 기술은 운송 수단과 스포츠 등 다양한 분야에 적용되고 있습니다.

바다거북의 등 모양을 모방해 비거리는 유지하면서 퍼팅의 정확도를 높이기 위해 골프공의 표면을 이렇게 바꾸는 연구도 활발히 진행되고 있습니다.

박쥐의 초음파를 활용한 로봇 청소기, 사막에 사는 곤충이 물기를 모으는 능력을 모방한 제습기도 나왔습니다.

최해천(서울대 기계항공공학부 교수) : "동물과 식물이 다양하듯이 우리가 공학적으로 응용할 분야도 무궁무진하게 다양하다는 거죠."

자연에서 배운 지혜로 인간의 한계를 극복하려는 생체 공학은 첨단 기술과 결합해 인공 장기 등 생명공학 분야로 진화하고 있습니다.

KBS 뉴스 김학재입니다.

김학재기자 (windows@kbs.co.kr)

▶ [취재후] 방송에서 못한 현장 이야기

[저작권자ⓒ KBS 무단복제-재배포 금지]

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자연에서 배운다...생체 모방 기술의 진화

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우리가 쓰는 생활용품 가운데는 동물의 생존 역량에서 아이디어를 따온 것들이 많습니다. 오랜 세월 진화를 거듭하며 최적화된 생존 능력을 가진 동물을 모방한 사례를 김학재 기자가 소개합니다. 몸 길이 15m, 몸무게 30톤인 혹등고래가 민첩하게 물살을 가릅니다. 뛰어난 수영 비결은 가슴지느러미에 난 독특한 돌기입니다. 실험 결과 돌기가 있으면 공기가 매끄럽게 흘러가지만, 없으면 저항 때문에 뒤쪽에 빈 공간이 생겨납니다.

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파리눈을 특징으로 카메라 렌즈(출처:구글)

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파리눈을 특징으로 카메라 렌즈(출처:구글)

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해은💜💙

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문어발판, 칫솔거리발판(출처:네이버)

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문어발판, 칫솔거리발판(출처:네이버)

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해은💜💙

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부레옥잠과 구명조끼(출처:네이버,블로그)

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부레옥잠과 구명조끼(출처:네이버,블로그)

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해은💜💙

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도꼬마리열매-찍찍이[출처:블로그,매니저S]

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도꼬마리열매-찍찍이[출처:블로그,매니저S]

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주연💜

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예) 생체 모방 기술 출처-YTN 사이언스

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예) 생체 모방 기술 출처-YTN 사이언스

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자연을 모방한 디자인의 세계 / YTN 사이언스

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예시) 곤충의 특성을 사용 출처-국립생물 자원관

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예시) 곤충의 특성을 사용 출처-국립생물 자원관

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네이버 블로그 | 국립생물자원관

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자연에서 찾은 생체 모방 기술, 곤충의 특성을 훔쳐라!

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뛰어난 예술가는 모방하고, 위대한 예술가는 훔친다 (Good Artists Copy, Great Artists Steal) - 파...

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예시) 물총새 출처-중앙일보

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예시) 물총새 출처-중앙일보

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관찰은 힘이 세다. 그것은 뜻밖의 영감을 준다. 미술이나 문학작품을 감상하거나, 주변의 자연을 살펴보는 일이 여기에 속한다.
물총새에서 혁신의 아이디어를 얻은 신칸센이 좋은 예다. 오사카와 하카타를 왕복하는 일본 고속열차 신칸센은 시속 300km.
시운전 때 심각한 문제가 생겼다. 터널을 지날 때마다 엄청난 소음이 생겼다. 새를 관찰하는 게 취미인 엔지니어가 이 문제의 실마리를 풀었다. 출처: 『적응력이 실력이다』(중앙북스 출간) 이해준 기자 lee.hayjune@joongang.co.kr

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[톡톡에듀-카드뉴스]신칸센, 물총새에서 답을 얻다

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관찰은 힘이 세다. 그것은 뜻밖의 영감을 준다. 미술이나 문학작품을 감상하거나, 주변의 자연을 살펴보는 일이 여기에 속한다. 물총새에서 혁신의 아이디어를 얻은 신칸센이 좋은 예다. 오사카와 하카타를 왕복하는 일본 고속열차 신칸센은 시속 300km. 시운전 때 심각한 문제가 생겼다. 터널을 지날 때마다 엄청난 소음이 생겼다. 새를 관찰하는 게 취미인 엔지니어가 이 문제의 실마리를 풀었다.

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예시) 연잎  출처-대한민국 특허청

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예시) 연잎  출처-대한민국 특허청

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Posted by 대한민국 특허청 on Tuesday, January 15, 2019