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인력 (일률) 일반 장치 및 기계
전기 저장용 충전용 전지의 대안은 슈퍼커패시터이며, 여기에 표시된 기계식 손전등과 같은 일부 장치에 현재 사용되고 있다. 전기가 아닌 기계적으로 에너지를 저장하는 장치에는 메인스프링이 있는 태엽식 라디오가 포함되어 있는데, 이 메인스프링은 크랭크로 감겨서 발전기를 돌려 라디오에 전력을 공급한다.
인력 전기 장비의 정기적인 사용의 초기 예는 초기 전화 시스템에 있다. 원격 벨을 울리기 위한 전류는 전화기의 손잡이를 돌리는 가입자에 의해 공급되었는데, 이는 작은 마그네토 발전기를 돌렸다. 인력 장치는 자연재해, 전쟁 또는 시민 소요로 인해 정규 전원 공급이 불가능할 때 비상 장비로 유용하다. 또한 배터리가 비싸고 주전원이 불안정하거나 사용할 수 없는 가난한 나라에서 경제적으로 유용한 것으로 여겨져 왔다. 또한 낭비적인 에너지원이며 환경에 중금속을 유입할 수 있는 일회용 배터리 사용에 대한 환경적으로 더 바람직한 대안이기도 하다. 통신은 인간이 발전기를 돌려서 생성할 수 있는 비교적 적은 양의 전력에 대한 일반적인 응용 분야이다.
인력 (일률) 인력 라디오
제2차 세계 대전 당시의 깁슨 걸 생존 무전기는 손으로 돌리는 발전기를 사용하여 전력을 공급했다. 이는 필요하기 전에 몇 달 동안 보관될 수 있는 건전지의 신뢰할 수 없는 성능을 피했지만, 생존자가 크랭크를 돌릴 만큼 건강해야 한다는 단점이 있었다. 생존 무전기는 전쟁 중 양측에서 발명되고 배치되었다. 해상 작전 항공기에 탑재된 SCR-578 (및 유사한 전후 AN/CRT-3) 생존 무전기 송신기는 발전기 손잡이를 돌리는 동안 다리 사이에 고정할 수 있는 "모래시계" 모양 때문에 "깁슨 걸"이라는 별명을 얻었다.
제2차 세계 대전 중 미군은 때때로 GN-35 및 GN-45 수동 크랭크 발전기를 사용하여 미군 통신대 송수신기에 전력을 공급했다. 손으로 크랭크를 돌리는 것은 힘들었지만, SCR-131, SCR-161, SCR-171, SCR-284 및 SCR-694와 같은 소형 무전기에 충분한 전류를 생성했다.
인력 (일률) 인력 라디오
태엽식 라디오 또는 시계식 라디오는 배터리나 전력 계통이 아닌 인간의 근육 힘으로 작동되는 수신기이다. 가장 일반적인 배열에서 내부 발전기는 메인스프링으로 구동되며, 이는 케이스의 손 크랭크로 감긴다. 크랭크를 돌리면 스프링이 감기고 완전히 감으면 몇 시간 동안 작동할 수 있다. 또는 발전기가 내부 배터리를 충전할 수 있다.
인력 (일률) 인력 라디오
손으로 크랭크를 돌리는 발전기로 작동되는 라디오는 새로운 것이 아니지만, 이전에 그 시장은 비상 또는 군사 기관으로 제한되는 것으로 여겨졌다. 현대의 시계식 라디오는 후천면역결핍증후군 위기에 대한 대응으로 1991년 영국 발명가 트레버 베이리스가 설계하고 특허를 받았다. 그는 이것을 아프리카와 같은 개발도상국의 가난한 사람들이 배터리에 접근할 수 없는 곳에서 사용할 수 있는 라디오로 구상했다. 1994년 영국 회계사 크리스 스테인스와 그의 남아프리카 파트너 로리 스티어는 이 발명에 대한 전 세계 라이선스를 확보하고 베이젠 파워 인더스트리 (현재 프리플레이 에너지 Ltd)를 공동 설립하여 최초의 상업 모델을 생산했다. 더 이상 사용되지 않는 이 설계의 핵심은 위치 에너지를 저장하기 위해 항정 속도 용수철을 사용하는 것이었다. 베이리스가 베이젠이 프리플레이가 되면서 자신의 발명에 대한 통제권을 잃은 후, 프리플레이 에너지 장치는 더 저렴한 수동 크랭크 발전기로 충전되는 일회용 배터리로 전환되었다.
다른 자가 발전 장비와 마찬가지로 태엽식 라디오는 야영, 비상 상황, 그리고 개발도상국이나 외딴 지역과 같이 전력 계통이 없고 교체 배터리를 구하기 어려운 지역에서 사용하기 위한 것이었다. 또한 별장이나 오두막처럼 라디오가 정기적으로 사용되지 않아 배터리가 저하될 수 있는 곳에서도 유용하다.
비상용으로 설계된 태엽식 라디오는 종종 손전등, 깜박이는 비상등, 비상 사이렌을 포함한다. 또한 일회용 또는 충전용 전지, 시가 라이터 소켓, 태양 전지와 같은 여러 대체 전원을 포함할 수 있다.
인력 (일률) 페달 동력 송신기
페달 라디오 (또는 페달 무선)는 페달 구동 발전기로 전력을 공급받는 무선 송수신기였다. 이는 1929년 남호주 엔지니어이자 발명가인 알프레드 트래거가 오스트레일리아의 아웃백에 있는 외딴 농장 및 목축장에 라디오 통신을 제공하는 방법으로 개발했다. 당시에는 주전원이나 발전기 전원이 없었고, 필요한 전력을 공급할 배터리는 너무 비쌌을 것이다. 이는 왕립 플라잉 닥터 서비스와 나중에 공중 학교가 원격지에 사는 사람들을 응급 서비스 및 교육과 연결할 수 있게 한 기술이었기 때문에 매우 중요한 발명이었다.
분자 기계
분자 기계(分子機械, 영어: molecular machine)는 일반적으로 특정 자극에 반응하여 기계적 운동을 생성하도록 고안된 이산적인 수의 분자 구성 요소들의 집합체로 설명되는 분자의 한 종류를 말하며, 스위치 및 모터와 같은 거대분자 장치를 모방한다. 자연적으로 생성되는 생물학적 분자 기계는 DNA 복제 및 ATP 합성과 같은 필수적인 생물학적 과정을 담당한다. 키네신과 리보솜은 분자 기계의 예시이며, 이들은 보통 단백질 복합체의 형태를 취한다. 지난 수십 년 동안 과학자들은 거시적 세계에서 발견되는 기계를 소형화하기 위해 다양한 정도로 성공적인 시도를 해왔다.
분자 기계
인공 분자 기계(AMM)의 첫 번째 예시는 1994년에 보고되었으며, 고리와 두 가지 다른 가능한 결합 부위를 특징으로 하는 로탁세인을 포함한다. 2016년에 노벨 화학상은 분자 기계의 설계 및 합성에 기여한 공로로 장피에르 소바주, 프레이저 스토더트, 베르나르트 페링하에게 수여되었다. 주요 관점은 단일 결합 또는 기하 이성질체 회전과 같이 단백질 내에 존재하는 움직임을 활용하는 것이다. 이안정성 도입을 통해 스위치를 만드는 등 다양한 기능성을 도입하여 여러 AMM이 생산된다. 다양한 특성과 응용 분야를 특징으로 하는 광범위한 AMM이 설계되었으며, 이들 중 일부는 분자 모터, 분자 스위치, 분자 논리 게이트를 포함한다. AMM은 중합체, 액정, 결정 시스템에 통합되어 재료 연구, 균질 촉매 및 표면화학과 같은 다양한 기능을 수행하는 등 광범위한 응용 분야를 보여왔다.
분자 기계 용어
여러 정의는 "분자 기계"를 일반적으로 특정 자극에 반응하여 기계적 움직임을 생성하도록 고안된 이산적인 수의 분자 구성 요소들의 집합체로 묘사되는 분자 종류로 설명한다. 이 표현은 단순히 거시적 수준에서 발생하는 기능을 모방하는 분자에도 더 일반적으로 적용된다. 분자가 "분자 기계"로 간주되기 위한 몇 가지 주요 요구 사항은 움직이는 부품의 존재, 에너지를 소비하는 능력, 그리고 작업을 수행하는 능력이다. 분자 기계는 움직임을 생성할 수 있는 다른 자극 반응성 화합물(예: 기하 이성질체)과 비교하여 상대적으로 큰 움직임의 진폭(잠재적으로 화학 반응 때문)과 움직임을 조절하기 위한 명확한 외부 자극의 존재( 브라운 운동과 비교)에서 차이가 있다. 압전기, 자기변형 및 거시적 규모에서 외부 자극으로 인해 움직임을 생성하는 다른 재료는 일반적으로 포함되지 않는다. 왜냐하면 움직임의 분자적 기원에도 불구하고 그 효과는 분자 규모에서 사용될 수 없기 때문이다.
분자 기계 용어
이 정의는 일반적으로 합성 분자 기계에 적용되며, 이들은 역사적으로 자연적으로 발생하는 생물학적 분자 기계("나노 기계"라고도 함)에서 영감을 얻었다. 생물학적 기계는 살아있는 시스템에서 다양한 형태의 에너지를 기계적 일로 전환하여 세포 내 수송, 근수축, ATP 생성 및 세포 분열과 같은 중요한 생물학적 과정을 구동하는 나노 규모의 장치(예: 분자 단백질)로 간주된다.
분자 기계 역사
생물학적 분자 기계는 생명 유지에 중요한 역할을 하기 때문에 수십 년 동안 알려지고 연구되어 왔으며, 유사한 유용한 기능성을 가진 인공적으로 설계된 시스템에 영감을 주었다. 1950년대에 복잡한 화학 구조를 분석하기 위한 입체 이성질체 연구인 형태 분석의 출현은 분자 구성 요소 내의 상대적인 움직임을 이해하고 제어하여 추가 응용 분야에 활용하려는 아이디어를 낳았다. 이는 트립티센의 방향족성 고리 회전과 같은 형태 변화를 특징으로 하는 "원형 분자 기계"의 설계로 이어졌다. 1980년까지 과학자들은 외부 자극을 사용하여 원하는 형태를 달성하고 이를 다양한 응용 분야에 활용할 수 있었다. 주요 예시는 아조벤젠 단위를 포함하는 광 반응성 크라운 에터의 설계인데, 이는 빛에 노출되면 시스 및 트랜스 이성질체 사이를 전환하여 에터의 양이온 결합 특성을 조절할 수 있었다. 리처드 파인만은 1959년 그의 기념비적인 강연 바닥에는 풍부한 공간이 있다에서 원자 수준에서 물질을 조작하여 인공적으로 설계된 분자 장치의 아이디어와 응용 분야를 언급했다. 이는 1970년대에 K. 에릭 드렉슬러에 의해 더욱 확증되었으며, 그는 나노 규모의 "조립기"와 같은 분자 나노기술에 기반한 아이디어를 개발했지만 그 실현 가능성은 논란이 있었다.
분자 기계 역사
이러한 사건들이 이 분야에 영감을 주었지만, 인공 분자 기계(AMM)를 합성하는 실용적인 접근 방식의 실제 돌파구는 1991년 프레이저 스토더트 경이 "분자 셔틀"을 발명하면서 이루어졌다. 1980년대 초 장피에르 소바주가 개발한 카테네인 및 로탁세인과 같은 기계적으로 연결된 분자들의 조립을 기반으로 구축된 이 셔틀은 두 끝 또는 가능한 결합 부위 (하이드로퀴논 단위) 사이의 "축"을 따라 움직일 수 있는 고리를 가진 로탁세인을 특징으로 한다. 이 디자인은 분자 길이를 따라 분자 단위의 잘 정의된 움직임을 처음으로 실현했다. 1994년에는 개선된 디자인을 통해 수소 이온 농도 지수 변화 또는 전기화학적 방법을 통해 고리 움직임을 제어할 수 있게 되어 AMM의 첫 번째 예시가 되었다. 여기서 두 결합 부위는 벤지딘 및 바이페놀 단위이다. 양이온성 고리는 일반적으로 벤지딘 고리 위에 머무르는 것을 선호하지만, 낮은 pH에서 벤지딘이 양성자화되거나 전기화학적으로 산화되면 바이페놀 그룹으로 이동한다. 1998년에는 주사 터널링 현미경을 사용하여 구리 기반 금속 표면에서 데카사이클렌 분자의 회전 운동을 포착하는 연구가 이루어졌다. 다음 10년 동안 다양한 자극에 반응하는 광범위한 AMM이 다양한 응용 분야를 위해 발명되었다. 2016년에는 분자 기계의 설계 및 합성에 기여한 공로로 소바주, 스토더트, 베르나르트 페링하에게 노벨 화학상이 수여되었다.
분자 기계 인공 분자 기계
지난 수십 년 동안 AMM은 빠르게 다양화되었고 그 설계 원리, 특성, 및 특성 평가 방법은 더욱 명확하게 설명되었다. AMM 설계의 주요 시작점은 분자 내에 존재하는 기존 운동 방식을 활용하는 것이다. 예를 들어, 단일 결합은 회전 축으로 시각화될 수 있으며, 메탈로센 복합체도 마찬가지이다. 이중 결합을 통합하여 구부러지거나 V자 모양을 만들 수 있으며, 이는 특정 자극(일반적으로 적절한 파장의 방사선)에 반응하여 기하 이성질체를 겪을 수 있다. 이는 스틸벤 및 아조벤젠 단위를 포함하는 수많은 디자인에서 볼 수 있다. 비슷하게, 스피로피란 및 다이아릴에텐에서 볼 수 있는 고리 열림 및 닫힘 반응도 곡선 모양을 생성할 수 있다. 또 다른 일반적인 움직임 방식은 기계적으로 맞물린 분자(주로 카테네인)에서 관찰되는 고리들이 서로 상대적으로 회전하는 것이다. 이 유형의 회전은 분자 자체를 넘어서는 접근이 불가능하지만(고리들이 서로 안에 갇혀 있기 때문에), 로탁세인은 고리들이 아령 모양의 축을 따라 병진 운동을 할 수 있어 이를 극복할 수 있다. 또 다른 AMM 계열은 DNA 및 단백질과 같은 생체 분자를 디자인의 일부로 포함하며, 단백질 접힘 및 풀림과 같은 현상을 활용한다.
분자 기계 인공 분자 기계
AMM 디자인은 이 분야의 초기부터 크게 다양화되었다. 주요 경로는 이안정성을 도입하여 분자 스위치를 생산하는 것인데, 이는 분자가 전환할 수 있는 두 개의 distinct configuration을 특징으로 한다. 이는 치환되지 않은 사이클로헥세인의 고리 뒤집기와 유사하게, 고리가 선호도 없이 이동할 수 있는 두 개의 동일한 부위로 구성된 원래 분자 셔틀에서 한 단계 발전한 것으로 인식되었다. 만약 이 두 부위가 전자 밀도와 같은 특징 면에서 서로 다르다면, 생물학적 시스템에서와 같이 약하거나 강한 인식 부위가 생길 수 있다. 이러한 AMM은 촉매 반응 및 약물 전달 분야에 응용되었다. 이러한 스위칭 동작은 일반적인 스위치가 원래 상태로 돌아갈 때 손실되는 유용한 작업을 얻기 위해 더욱 최적화되었다.
자연 과정에서 작업을 생성하기 위한 동역학적 제어의 사용에 영감을 받아, 분자 모터는 열역학적 평형에서 벗어나도록 지속적인 에너지 유입을 통해 작업을 전달하도록 설계된다.
분자 기계 인공 분자 기계
현재 분자 기계를 구동하는 데 다양한 에너지원이 사용되지만, AMM 개발 초기에는 그렇지 않았다. AMM의 움직임은 일반적으로 분자에서 볼 수 있는 무작위 열 운동과 관련하여 조절되었지만, 원하는 대로 제어하거나 조작할 수는 없었다. 이로 인해 AMM 설계에 자극 반응성 부분이 추가되어 외부에서 가해지는 비열 에너지원이 분자 운동을 유도하고 그에 따라 특성을 제어할 수 있게 되었다. 화학 에너지(또는 "화학 연료")는 분자들을 다른 상태 사이에서 전환하기 위한 광범위한 가역적 화학 반응(산-염기 반응에 크게 기반함)을 고려할 때 초기에 매력적인 선택이었다. 그러나 이는 생물학적 시스템에서와 같이 기계의 효율성을 유지하기 위해 화학 연료의 공급과 생성된 폐기물의 제거를 실질적으로 조절하는 문제에 직면한다. 일부 AMM은 이를 우회하는 방법을 찾았지만, 최근에는 전자전달 또는 이성질체화에 기반한 폐기물 없는 반응(예: 비올로겐)이 주목을 받고 있다. 결국, 여러 가지 다른 형태의 에너지(전기, 자기, 광학 등)이 AMM에 동력을 공급하는 주요 에너지원이 되었으며, 심지어 빛으로 구동되는 모터와 같은 자율 시스템도 생산하고 있다.
아래에는 다양한 AMM이 지시 이미지와 함께 표로 정리되어 있다.
분자 기계 생물학적 분자 기계
많은 거대 분자 기계는 세포 내에 존재하며, 종종 단백질 복합체 형태를 취한다. 생물학적 기계의 예로는 근육 수축을 담당하는 미오신과 같은 운동 단백질, 미세소관을 따라 세포핵에서 멀리 세포 내 화물을 이동시키는 키네신, 그리고 핵으로 향하는 세포 내 화물을 이동시키고 운동 섬모와 편모의 축삭성 박동을 생성하는 디네인이 있다. "[사실상, [운동 섬모]는 분자 복합체 내에 600개 이상의 단백질로 구성된 나노 기계이며, 이들 중 다수는 독립적으로 나노 기계로도 기능한다. ... 유연한 링커는 이들에 의해 연결된 이동 가능한 단백질 도메인이 결합 파트너를 모집하고 단백질 도메인 동역학을 통해 장거리 다른 자리 입체성 조절을 유도하도록 허용한다." 다른 생물학적 기계는 에너지 생산을 담당한다. 예를 들어, ATP 생성효소는 막을 가로지르는 양성자 기울기에서 에너지를 활용하여 세포의 에너지 통화인 ATP를 합성하는 데 사용되는 터빈과 같은 움직임을 구동한다. 또 다른 기계는 DNA 복제를 위한 DNA 중합효소, mRNA 생성을 위한 RNA 중합효소, 인트론 제거를 위한 스플라이소좀, 그리고 단백질 합성을 위한 리보솜을 포함하여 유전자 발현을 담당한다. 이러한 기계와 그 나노 규모 동역학은 지금까지 인공적으로 구성된 어떤 분자 기계보다 훨씬 더 복잡하다.
분자 기계 생물학적 분자 기계
생물학적 기계는 나노의학에 잠재적인 응용 분야를 가지고 있다. 예를 들어, 암세포를 식별하고 파괴하는 데 사용될 수 있다. 분자 나노기술은 분자 또는 원자 규모에서 물질을 재정렬할 수 있는 생물학적 기계인 분자 조립기를 공학적으로 만들 가능성에 대한 미래학 분야의 speculative 하위 분야이다. 나노의학은 이러한 나노봇을 체내에 도입하여 손상 및 감염을 수리하거나 감지하는 데 사용할 것이지만, 이는 현재의 능력을 훨씬 뛰어넘는 것으로 간주된다.
분자 기계 연구 및 응용
이 분야의 발전은 합성 방법의 부족으로 인해 저해되고 있다. 이러한 맥락에서 이론적 모델링은 이러한 시스템에서 자기조립 또는 해체 과정을 이해하는 데 중요한 도구로 부상했다.
AMM은 중합체, 액정, 및 결정 시스템에 통합된 것을 포함하여 다양한 기능에 대한 가능한 응용이 시연되었다. 균질 촉매는 특히 비대칭 합성과 같은 분야에서 비공유 상호작용 및 생체 모방 다른 자리 입체성 조절 촉매 작용을 활용하는 중요한 예시이다. AMM은 3차원 인쇄에서 약물 전달에 이르는 다양한 응용 분야를 위한 2D 및 3D 자기 조립 재료 및 나노입자 기반 시스템과 같은 여러 자극 반응성 스마트 재료의 설계에 중추적인 역할을 해왔다.
분자 기계 연구 및 응용
AMM은 점차 기존의 용액상 화학에서 표면 및 계면으로 이동하고 있다. 예를 들어, AMM 고정 표면(AMMIS)은 무기 표면에 부착되어 자기 조립 단분자막과 같은 특징을 형성하는 AMM으로 구성된 새로운 종류의 기능성 재료이다. 이는 형광, 응집 및 약물 방출 활성과 같은 조정 가능한 특성을 유발한다.
이러한 "응용"의 대부분은 개념 증명 수준에 머물러 있다. 거시적 응용을 간소화하는 데 있어서의 과제는 자율 작동, 기계의 복잡성, 기계 합성의 안정성 및 작동 조건 등을 포함한다.
아이올리파일
아이올리파일(aeolipile), 또는 헤론의 기관으로도 알려진 이 장치는 중앙의 물통이 가열되면 회전하는 간단한 블레이드 없는 방사형 증기 터빈이다. 터빈에서 분출되는 증기 제트에 의해 돌림힘이 발생한다. 그리스계 이집트인 수학자이자 공학자인 헤론은 1세기 AD에 이 장치를 설명했으며, 많은 자료에서 그를 발명가로 인정한다. 그러나 비트루비우스는 그의 데 아키텍투라( 기원전 30-20년c.)에서 이 기구를 처음으로 설명했다. 한국어로는 기력계(汽力計), 기력솥으로 번역된다.
아이올리파일은 최초의 기록된 증기기관 또는 반동 증기 터빈으로 여겨지지만, 실용적인 동력원이 아니며 산업 혁명 동안 발명된 증기기관의 직접적인 선구자도 아니다.
이름은 고대 그리스어 이름 Αἴολος와 라틴어 단어 pila에서 파생되었으며, 문자 그대로 아이올루스의 공으로 번역된다. 아이올루스는 공기와 바람의 그리스 신이다.
아이올리파일(측면도에 묘사됨)은 증기를 사용하여 작업을 수행하기 때문에 미국 해군 보일러 기술병 직급의 상징으로 사용되며, 이전의 수상병, 보일러 제작자 및 보일러 관리병 직급에서도 마찬가지였다.
아이올리파일 물리학
아이올리파일은 일반적으로 반대 방향으로 구부러지거나 휘어진 노즐이 외부로 돌출된 구형 또는 원통형 용기로 구성된다. 이것은 자체 축을 중심으로 회전하도록 설계되었다. 용기가 증기로 가압되면 가스가 노즐 밖으로 분출되어 뉴턴 운동 법칙의 2법칙과 3법칙의 결과로 로켓 엔진 원리에 의해 추진력을 생성한다. 서로 다른 방향을 가리키는 노즐이 베어링의 축에 수직인 서로 다른 작용선에 따라 힘을 생성할 때, 이 추진력은 회전 모멘트(기계적 짝힘) 또는 돌림힘을 유발하여 용기가 축을 중심으로 회전하게 한다. 공기 역학적 항력과 베어링의 마찰력은 회전 속도(분당 회전수)가 증가함에 따라 빠르게 증가하고 가속 돌림힘을 소모하여 결국 이를 상쇄하고 정상 상태 속도에 도달한다.
아이올리파일 물리학
일반적으로 헤론이 이 장치를 설명했듯이 물은 회전하는 용기의 스탠드 일부를 구성하는 간단한 보일러에서 가열된다. 이런 경우 보일러는 한 쌍의 파이프로 회전하는 챔버에 연결되며, 이 파이프는 챔버의 피봇 역할도 한다. 또는 회전하는 챔버 자체가 보일러 역할을 할 수도 있으며, 이 배열은 증기가 통과할 필요가 없으므로 피봇/베어링 배열을 크게 단순화한다. 이는 여기에 표시된 교실 모형의 삽화에서 볼 수 있다.
아이올리파일 역사
헤론과 비트루비우스는 모두 프톨레마이오스 왕국 알렉산드리아의 발명가이자 수학자였던 크테시비우스(기원전 285–222년, Ktēsíbios 또는 Tesibius로도 알려짐)의 훨씬 이전 작업에 기반을 두고 있다. 그는 압축 공기 과학과 펌프에서의 그 사용에 대한 최초의 논문을 썼다.
비트루비우스(기원전 80년경 – 기원전 15년경)는 아이올리파일을 다음과 같이 언급한다:
아이올리파일은 속이 빈 놋쇠 용기로, 작은 구멍이나 입구가 있어 물을 채울 수 있다. 물을 불 위에서 가열하기 전에는 바람이 거의 나오지 않는다. 그러나 물이 끓기 시작하자마자 격렬한 바람이 뿜어져 나온다.
헤론(서기 10년경 – 70년경)은 더 실용적인 접근 방식을 취하여 제작 방법을 설명한다:
아이올리파일 역사
제50호. 증기 기관.
불 위에 가마솥을 놓으라: 공이 피봇 위에서 회전할 것이다. 물이 담긴 가마솥 A B (그림 50) 아래에 불을 붙이고, 뚜껑 C D로 입구를 덮으라. 이 뚜껑과 구부러진 관 E F G가 연결되고, 관의 끝은 속이 빈 공 H K에 끼워져 있다. 끝 G 맞은편에 뚜껑 C D에 놓인 피봇 L M을 놓으라. 그리고 공에는 지름의 반대쪽 끝에서 연결되고 반대 방향으로 구부러진 두 개의 구부러진 관이 있어야 하며, 구부러진 부분은 F G, L M 선에 수직으로 가로질러야 한다. 가마솥이 뜨거워지면 E F G를 통해 공으로 들어간 증기가 구부러진 관을 통해 뚜껑 쪽으로 빠져나가 춤추는 인형의 경우처럼 공을 회전시킨다는 것을 알게 될 것이다.
아이올리파일 실용적 사용
고대에 아이올리파일이 어떤 실용적인 용도로 사용되었는지는 알려져 있지 않으며, 실용적인 장치, 기발한 신기한 물건, 숭배의 대상, 또는 다른 어떤 것으로 여겨졌는지도 불분명하다. 한 자료는 이를 고대 그리스인들에게 단순한 호기심 또는 "파티 장난"으로 묘사했다. 헤론의 그림은 독립형 장치를 보여주며, 아마도 《프네우마티카》에 묘사된 다른 많은 장치들처럼 "신전의 경이로움"으로 의도되었을 것이다.
반면에 비트루비우스는 아이올리파일이 날씨의 물리적 특성을 시연하는 데 사용되었다고 언급한다. 그는 이를 다음과 같이 묘사한다:
놋쇠 아이올리파일은 인간 발명품에 대한 주의 깊은 관찰이 종종 자연의 일반적인 법칙에 대한 지식으로 이어진다는 것을 분명히 보여준다.
장치의 구조를 설명한 후(위 참조) 그는 결론을 내린다:
따라서 간단한 실험을 통해 우리는 하늘과 바람의 위대한 작용의 원인과 결과를 확인하고 결정할 수 있다.
아이올리파일 실용적 사용
1543년, 스페인 해군 과학자이자 함장인 블라스코 데 가라이는 카를 5세와 고위 관리들로 구성된 위원회 앞에서 바람이 없을 때 큰 배를 추진할 수 있는 발명품을 시연했다고 전해진다. 이 장치는 구리 보일러와 배의 양쪽에 움직이는 바퀴로 구성되었다. 이 기록은 시만카스의 스페인 왕립 문서 보관소에 보존되어 있다. 데 가라이는 헤론의 아이올리파일을 로마 보트와 후기 중세 갤리선에서 사용된 기술과 결합했다고 제안된다. 여기서 데 가라이의 발명품은 아이올리파일이 실용적인 용도로 사용될 수 있는 혁신을 도입했는데, 이는 패들휠에 동력을 생성하여 증기선 운항의 가능성을 보여주었다. 이 주장은 스페인 당국에 의해 부인되었다.
서보 기구
기계공학 및 제어공학에서 서보 기구(Servomechanism)는 기계 시스템의 위치 및 속도와 같은 시간 미분값을 위한 제어 시스템이다. 여기에는 종종 서보 기구가 포함되며, 정상 상태 오차를 줄이고 동적 응답을 개선하기 위해 폐쇄 루프 제어를 사용한다. 폐쇄 루프 제어에서는 오류 감지 음성 되먹임을 사용하여 메커니즘의 동작을 수정한다. 변위 제어 애플리케이션에서는 일반적으로 내장된 엔코더 또는 다른 위치 피드백 메커니즘을 포함하여 출력이 원하는 효과를 달성하는지 확인한다. 지정된 동작 궤적을 따르는 것을 서보잉이라고 하며, 여기서 "서보"는 동사로 사용된다. 서보 접두사는 노예를 의미하는 라틴어 단어 servus에서 유래한다.
이 용어는 피드백 또는 오류 수정 신호가 기계적 위치, 속도, 태도 또는 기타 측정 가능한 변수를 제어하는 데 도움이 되는 시스템에만 올바르게 적용된다. 예를 들어, 자동차의 파워 윈도우 제어는 위치를 제어하는 자동 피드백이 없으므로(운전자가 관찰을 통해 이를 수행함) 서보 기구가 아니다. 반대로 자동차의 크루즈 컨트롤은 폐쇄 루프 피드백을 사용하므로 서보 기구로 분류된다.
서보 기구 응용 분야
일반적인 서보 유형은 위치 제어를 제공한다. 일반적으로 서보는 전기, 유압 또는 공압이다. 이들은 음성 되먹임 원리로 작동하며, 제어 입력은 출력에서 어떤 유형의 트랜스듀서로 측정된 기계 시스템의 실제 위치와 비교된다. 실제 값과 원하는 값 사이의 차이("오류 신호")는 증폭(및 변환)되어 오류를 줄이거나 제거하는 데 필요한 방향으로 시스템을 구동하는 데 사용된다. 이 절차는 제어이론의 널리 사용되는 응용 분야 중 하나이다. 일반적인 서보는 회전(각도) 또는 선형 출력을 제공할 수 있다.
조속기를 통한 속도 제어는 또 다른 유형의 서보 기구이다. 증기기관은 기계식 조속기를 사용했으며, 또 다른 초기 응용 분야는 물레방아의 속도를 조절하는 것이었다. 제2차 세계 대전 이전에 정속 프로펠러가 항공기 기동을 위한 엔진 속도 제어를 위해 개발되었다. 가스 터빈 엔진의 연료 제어는 유압 기계식 또는 전자식 조속기를 사용한다.
서보 기구 응용 분야
위치 지정 서보 기구는 군사 사격 통제 및 항해술 장비에 처음 사용되었다. 오늘날 서보 기구는 자동 공작 기계, 위성 추적 안테나, 원격 제어 비행기, 보트 및 비행기의 자동 항법 시스템, 대공포 제어 시스템에 사용된다. 다른 예로는 항공기의 제어 표면을 작동시키는 데 서보를 사용하는 항공기의 플라이 바이 와이어 시스템과 동일한 목적으로 RC 서보를 사용하는 무선 조종 모형이 있다. 많은 자동 초점 카메라도 렌즈를 정확하게 움직이기 위해 서보 기구를 사용한다. 하드 디스크 드라이브는 서브 마이크로미터 위치 정확도를 가진 자기 서보 시스템을 가지고 있다. 산업 기계에서는 서보가 많은 응용 분야에서 복잡한 동작을 수행하는 데 사용된다.
서보 기구 서보 모터
서보 모터는 로터리 인코더 또는 전위차계와 결합하여 서보 기구를 형성하는 특정 유형의 모터이다. 이 조립체는 다시 다른 서보 기구의 일부를 형성할 수 있다. 전위차계는 위치를 나타내는 간단한 아날로그 신호를 제공하는 반면, 인코더는 위치와 일반적으로 속도 피드백을 제공하며, 이는 PID 제어기를 사용하여 위치를 보다 정밀하게 제어하고 안정적인 위치를 더 빠르게 달성할 수 있도록 한다(주어진 모터 전력에 대해). 전위차계는 온도가 변할 때 표류하는 경향이 있는 반면 인코더는 더 안정적이고 정확하다.
서보 기구 서보 모터
서보 모터는 고급 및 저가형 응용 분야 모두에 사용된다. 고급 분야에서는 로터리 인코더를 사용하는 정밀 산업 부품이 있다. 저가형 분야에서는 자유롭게 회전하는 모터와 내장 컨트롤러가 있는 간단한 전위차계 위치 센서를 사용하는 무선 조종 모형에 사용되는 저렴한 무선 조종 서보(RC 서보)가 있다. 서보 모터라는 용어는 일반적으로 고급 산업 부품을 지칭하는 반면, 서보라는 용어는 전위차계를 사용하는 저렴한 장치를 설명하는 데 가장 자주 사용된다. 스테퍼모터는 서보 모터로 간주되지 않지만, 이들 또한 더 큰 서보 기구를 구성하는 데 사용된다. 스테퍼모터는 그 구조상 고유한 각도 위치 결정 기능을 가지고 있으며, 이는 일반적으로 피드백 없이 개방 루프 방식으로 사용된다. 이들은 일반적으로 중간 정밀도 응용 분야에 사용된다.
RC 서보는 자동차의 조향, 비행기의 제어 표면 또는 보트의 방향타와 같은 다양한 기계 시스템의 작동을 제공하는 데 사용된다. 저렴한 가격, 신뢰성 및 마이크로프로세서에 의한 제어 용이성으로 인해 소규모 로봇공학 응용 분야에 자주 사용된다. 표준 RC 수신기(또는 마이크로컨트롤러)는 서보에 펄스 폭 변조(PWM) 신호를 보낸다. 서보 내부의 전자 장치는 펄스 폭을 위치로 변환한다. 서보가 회전하도록 명령받으면 전위차계가 명령된 위치에 해당하는 값에 도달할 때까지 모터에 전력이 공급된다.
서보 기구 역사
제임스 와트의 증기기관 조속기는 일반적으로 최초의 동력 피드백 시스템으로 간주된다. 풍차 꼬리날개는 자동 제어의 초기 사례이지만, 앰프나 이득이 없으므로 일반적으로 서보 기구로 간주되지 않는다.
최초의 피드백 위치 제어 장치는 대형 선박의 방향타를 선박의 키 위치에 따라 배치하는 데 사용되는 선박 조향 기관이었다.
존 맥팔레인 그레이는 선구자였다. 그의 특허 받은 디자인은 1866년 SS 그레이트 이스턴호에 사용되었다.
조제프 파르코는 1862년에서 1868년 사이에 여러 특허를 보유한 피드백 개념에 대해 동등한 공로를 인정받을 수 있다.
텔레모터는 1872년경 앤드류 벳츠 브라운에 의해 발명되었으며, 제어실과 엔진 사이의 정교한 메커니즘을 크게 단순화할 수 있게 했다. 증기 조향 엔진은 현대 서보 기구의 특성을 가졌다: 입력, 출력, 오류 신호, 그리고 오류 신호를 증폭하여 음성 되먹임을 통해 오류를 0으로 만드는 수단. 라곤넷 파워 리버스 메커니즘은 1909년에 특허를 받은 선형 운동을 위한 범용 공기 또는 증기 동력 서보 증폭기였다.
전기 서보 기구는 1888년 일라이셔 그레이의 텔레오토그래프에서 일찍이 사용되었다.
서보 기구 역사
전기 서보 기구는 전력 증폭기가 필요하다. 제2차 세계 대전은 전력 증폭기로 앰플리다인을 사용하는 전기 사격 통제 서보 기구의 개발을 보았다. 진공관 증폭기는 유니박 I 컴퓨터용 UNISERVO 테이프 드라이브에 사용되었다. 영국 해군은 1928년 HMS 챔피언에서 원격 전력 제어(RPC)를 실험하기 시작했으며 1930년대 초에 탐조등 제어에 RPC를 사용하기 시작했다. 제2차 세계 대전 중 RPC는 포탑과 포사격 지시기를 제어하는 데 사용되었다.
현대 서보 기구는 일반적으로 MOSFET 또는 사이리스터 장치로 만들어진 솔리드 스테이트 전력 증폭기를 사용한다. 소형 서보는 전력 트랜지스터를 사용할 수 있다.
이 단어의 기원은 1868년 J. J. L. Farcot이 선박 조향에 사용되는 유압 및 증기 엔진을 설명하기 위해 처음 사용한 프랑스어 "Le Servomoteur" 또는 slavemotor에서 유래한 것으로 여겨진다.
가장 간단한 종류의 서보는 뱅뱅 제어를 사용한다. 더 복잡한 제어 시스템은 비례 제어, PID 제어, 그리고 현대 제어 이론에서 연구되는 상태 공간 제어를 사용한다.
서보 기구 성능 유형
서보는 피드백 제어 시스템에 따라 분류될 수 있다.
서보 대역폭은 명령된 입력의 급격한 변화를 따를 수 있는 서보의 능력을 나타낸다.
주캄보디아 대한민국 대사
주캄보디아 대한민국 대사는 대한민국 외교부 산하 주캄보디아 대한민국 대사관의 수장이다. 공식 명칭은 주캄보디아 대한민국 특명전권대사이다.
남상정
남상정(南相正, 1952년 12월 27일 ~ )은 대한민국의 외교관이다. 1981년 외무고시 15회로 외무부에 입부했으며, 2006년 주 네팔 대사, 2009년 주 과테말라 대사를 역임했다.
남상정 생애
경상남도 창녕에서 태어났다. 경복고등학교와 서울대학교 영문학과를 졸업한 뒤 터프츠 대학교 플레처 스쿨에서 석사 학위를 받았다. 1981년 외무부(현 대한민국 외교부)에 입부해 재외공관과 본부에서 통상·지역협력 업무, 주OECD 대표부, 미주 공관 등에서 근무했다.
남상정 주요 활동
네팔 (2006~2009)
경상북도(지방외교 파견, 2008~2009)
과테말라 (2009~2012)
남상정 외교적 관점
네팔 재임 중 전자정부 협력, 항공 직항로 개설, 근로자고용허가제(EPS) 추진 등 ‘제도·인적 교류’의 기반을 강조했으며, 지방정부 파견 기간에는 ‘생활 외교’와 민간의 국제교류 활동을 통한 대외 인식 제고의 필요성을 설명했다.
신개선 톱니바퀴
신개선 톱니바퀴 또는 인벌류트 기어(involute gear) 프로파일은 오늘날 톱니바퀴에 가장 일반적으로 사용되는 시스템이며, 사이클로이드 톱니바퀴는 시계와 같은 일부 특수 분야에 여전히 사용된다. 신개선 톱니바퀴에서 톱니의 프로파일은 원의 신개선이다. 원의 신개선은 기초원이라고 불리는 정지된 원에서 스스로 풀리는 가상의 팽팽한 끈의 끝이 그리는 나선형 곡선, 또는 (동등하게) 원주에 투영된 삼각파이다.
신개선 톱니바퀴 장점 및 설계
때때로 레온하르트 오일러의 공로로 여겨지는 신개선 톱니바퀴 프로파일은 기계 설계에 있어 근본적인 진보였다. 다른 기어 시스템과 달리 신개선 톱니바퀴의 톱니 프로파일은 톱니의 수, 압력각 및 피치에만 의존하기 때문이다. 즉, 기어의 프로파일은 맞물리는 기어에 의존하지 않는다. 따라서 주어진 압력각과 피치를 가진 n 및 m 톱니 신개선 스퍼 기어는 n과 m에 관계없이 올바르게 맞물린다. 이는 제조 및 재고로 유지해야 하는 기어의 형태 수를 극적으로 줄여준다.
신개선 톱니바퀴 설계에서 한 쌍의 기어 톱니 간의 접촉은 동일한 나선 방향의 두 신개선이 만나는 단일 순간 점(오른쪽 그림 참조)에서 발생한다. 톱니의 다른 쪽 측면의 접촉은 두 신개선이 다른 나선 방향인 곳이다. 기어의 회전은 이 접촉점의 위치를 해당 톱니 표면을 가로질러 이동시킨다. 곡선의 어떤 점에서의 접선은 기어의 장착 거리에 관계없이 생성선에 수직이다. 따라서 힘의 선은 생성선을 따르며, 두 기초원에 접하며, 톱니바퀴#작용선 (압력선 또는 접촉선이라고도 함)으로 알려져 있다. 이것이 사실일 때, 기어는 기어링의 기본 법칙을 따른다:
신개선 톱니바퀴 장점 및 설계
기어 세트의 두 기어 간의 각속도 비율은 맞물림 전체에서 일정하게 유지되어야 한다.
이 속성은 톱니 쌍이 맞물리거나 분리될 때 최소한의 속도 또는 토크 변동으로 원활한 동력 전달을 위해 필요하지만, 저속 기어링에는 필요하지 않다.
신개선 톱니바퀴 작용선과 접촉
작용선이 두 중심 사이의 선을 가로지르는 점을 기어의 피치점이라고 한다. 이 지점에서는 슬라이딩 접촉 마찰이 0이다.
작용선에서 실제로 커버되는 거리는 접촉선이라고 불린다. 접촉선은 작용선과 피동 기어의 머리원 사이의 교점에서 시작하여 작용선과 구동 기어의 머리원 사이의 교점에서 끝난다.
압력각은 작용선과 기어 중심을 연결하는 선에 대한 법선 사이의 예각이다. 기어의 압력각은 신개선 모양의 위치에 따라 달라지지만, 톱니가 제대로 맞물리려면 기어 쌍은 동일한 압력각을 가져야 하므로 신개선의 특정 부분이 일치해야 한다.
신개선 톱니바퀴 압력각
어떤 압력각도 제조할 수 있지만, 가장 일반적인 재고 기어는 20°의 압력각을 가지며, 14½° 및 25° 압력각 기어는 훨씬 덜 일반적이다. 압력각을 증가시키면 기어 톱니 바닥의 폭이 증가하여 강도와 하중 전달 능력이 향상된다. 압력각을 감소시키면 백래시가 줄어들고, 더 부드러운 작동과 제조 오류에 대한 민감도가 감소한다.
신개선 톱니바퀴 신개선 기어의 종류
가장 일반적인 재고 기어는 직선 톱니가 있는 스퍼 기어이다. 더 높은 강도가 요구되는 응용 분야에 사용되는 대부분의 기어는 톱니의 나선 방향이 다르고 기어가 반대 방향으로 회전하는 헬리컬 신개선 기어이다. 비신개선 곡선 프로파일을 가진 톱니를 가진 기어에 대한 연구도 수행되었다.
헬리컬 신개선 기어는 톱니의 나선 방향이 동일하고, 두 신개선의 나선 방향이 다르며, 작용선이 기초원의 외부 접선(일반적인 벨트 드라이브와 유사하며, 일반 기어는 크로스 벨트 드라이브와 유사함)이고, 기어가 같은 방향으로 회전하는 제한된 상황에서만 사용된다. 이는 차동 기어의 낮은 효율성 때문에, 그리고 효율성이 0보다 작을 때 잠금 차동 장치에서 사용된다.
제네바 구동 장치
제네바 구동 장치, 제네바 드라이브(Geneva drive) 또는 제네바 메커니즘(Geneva mechanism)은 연속적인 회전 운동을 간헐적인 회전 운동으로 변환하는 톱니바퀴 메커니즘이다.
회전하는 구동 바퀴는 일반적으로 다른 바퀴(피동 바퀴)의 슬롯으로 들어가 한 번에 한 단계씩 전진시키는 핀이 장착되어 있다. 구동 바퀴에는 또한 단계를 멈춰 세울 수 있는 튀어나온 원형 차단 디스크가 있어 회전하는 피동 바퀴를 단계 사이에 제 위치에 "잠근다".
제네바 구동 장치 역사
제네바 구동 장치라는 이름은 제네바에서 대중화된 기계식 시계에 이 장치가 처음 적용된 것에서 유래한다. 이 메커니즘은 작은 규모로 제작할 수 있고 상당한 기계적 스트레스를 견딜 수 있기 때문에 기계식 휴대용 시계에 자주 사용된다.
제네바 구동 장치는 회전하는 바퀴에 네 개의 바퀴살이 있을 때 시각적으로 유사하여 "몰타 십자 메커니즘"이라고도 불린다.
제네바 구동 장치의 가장 일반적인 배열에서 클라이언트 바퀴에는 네 개의 슬롯이 있어 마스터 바퀴가 한 번 완전히 회전할 때마다 구동 장치를 한 번에 한 단계(각 단계는 90 도)씩 전진시킨다. 조향 바퀴에 n개의 슬롯이 있으면, 프로펠러 바퀴가 완전히 한 바퀴 회전할 때마다 ⁠360°/n⁠만큼 전진한다. 실용적인 제네바 구동 장치의 최소 슬롯 수는 3개이며, 18개 이상의 슬롯을 가진 메커니즘은 드물다.
메커니즘은 잘 윤활되어야 하므로 종종 오일 캡슐에 밀폐되어 있다.
제네바 구동 장치 용도 및 적용
제네바 구동 장치의 한 가지 적용은 영화 영사기와 영화 카메라에서 필름이 노출 게이트를 통해 주기적인 시작과 정지를 반복하며 당겨지는 방식에 있다. 필름은 프레임별로 진행되며, 각 프레임은 프레임 주기(일반적으로 초당 24회)의 일부 동안 렌즈 앞에서 정지해 있고, 주기 나머지 동안에는 빠르게 가속, 진행 및 감속한다. 이 간헐적인 움직임은 제네바 구동 장치에 의해 구현되며, 이 장치는 다시 필름의 스프로킷 구멍에 맞물리는 클로를 작동시킨다. 제네바 구동 장치는 또한 정확하게 반복 가능한 정지 위치를 제공하며, 이는 연속적인 이미지에서 지터를 최소화하는 데 중요한다. (현대 영사기는 필름을 빨리 감을 수 있도록 전자 제어 색인 메커니즘이나 스테퍼모터를 사용할 수도 있다.) 영화 영사기에 제네바 구동 장치를 처음 사용한 것은 1896년 오스카 메스터와 막스 글리베의 영사기 및 로버트 윌리엄 폴의 테아트로그라프(Teatrograph) 시대로 거슬러 올라간다. 에디슨이 바이타스코프(Vitascope)로 판매한 토머스 아마트의 영사기를 포함한 이전 영사기들은 1893년 조르주 드메니가 발명한 "비터 메커니즘"을 사용하여 간헐적인 필름 이송을 달성했다.:138
제네바 구동 장치 용도 및 적용
피동 바퀴 형태의 제네바 바퀴는 기계식 휴대용 시계에도 사용되었지만, 구동 장치에서가 아니라 용수철의 장력을 제한하여 탄성력이 거의 선형인 범위에서만 작동하도록 하는 데 사용되었다. 피동 바퀴의 슬롯 중 하나가 막히면 구동 바퀴가 회전할 수 있는 횟수가 제한된다. 시계에서는 "구동" 바퀴가 용수철을 감는 바퀴이며, 네 개 또는 다섯 개의 바퀴살과 하나의 닫힌 슬롯을 가진 제네바 바퀴는 용수철의 과도한 감김(및 완전한 풀림)을 방지한다. 이른바 제네바 스톱 또는 "제네바 스톱 워크"는 17세기 또는 18세기 시계공의 발명이었다.
제네바 구동 장치의 다른 적용 분야에는 플로터의 펜 교환 메커니즘, 자동 샘플링 장치, 지폐 계수기, 그리고 제조에 사용되는 여러 형태의 인덱싱 가능한 장비(예: CNC 기계의 공구 교환기, 터릿 선반, 스크루 머신 및 터릿 드릴의 터릿, 일부 종류의 인덱싱 헤드 및 회전 테이블 등)가 있다. 철제 링 시계는 제네바 메커니즘을 사용하여 링 중 하나에 간헐적인 움직임을 제공한다.
제네바 구동 장치 용도 및 적용
제네바 구동 장치는 2011년 소행성 4 베스타를 촬영하는 데 사용된 돈 탐사선의 프레이밍 카메라에서 필터를 변경하는 데 사용되었다. 이 장치는 메커니즘이 고장 나더라도 최소한 하나의 필터는 사용할 수 있도록 보장하기 위해 선택되었다.
구동 바퀴가 피동 바퀴 안에 있는 변형이 있다. 외부 제네바 구동 장치가 구동 바퀴의 180° 회전 미만으로 피동 바퀴를 한 단계씩 전진시키는 반면 (일정한 속도 구동 바퀴를 가정할 때) 정지는 항상 움직임보다 길다. 내부 바퀴에서는 움직임이 항상 구동 바퀴의 180° 회전 이상을 필요로 하므로 움직임이 정지보다 오래 걸린다. 구동 바퀴의 축은 한쪽 면에만 베어링을 가질 수 있다.
외부 형태가 더 일반적인데, 더 작게 만들 수 있고 더 높은 기계적 응력을 견딜 수 있기 때문이다. 외부 구동 바퀴에 두 개 이상의 구동 핀을 가짐으로써 더 짧은 정지 시간을 달성할 수도 있다.
다른 변형으로는 구형 제네바 구동 장치가 있다.:128
제네바 구동 장치 운동학
그림은 외부 4슬롯 제네바 구동 장치의 운동 곡선을 임의의 단위로 보여준다. 구동 핀이 슬롯에 진입하고 나갈 때 가속도에 불연속성이 나타나며, 이는 강성 베어링 표면이 접촉하거나 분리되는 순간에 발생한다. 이는 저크의 "무한한" 피크(디랙 피크)를 생성하여 진동을 유발한다.:127
제네바 구동 장치 더 읽어보기
Sclater, Neil (2011), 〈Cam, Geneva, and Ratchet Drives and Mechanisms〉 5판, 《Mechanisms and Mechanical Devices Sourcebook》, New York: McGraw Hill, 180–210쪽, ISBN 978-0-07170442-7 . 다양한 드라이브의 도면 및 디자인.
조호르-싱가포르 제방
조호르-싱가포르 제방(영어: Johor–Singapore Causeway 조호르-싱가포르 코즈웨이[*])은 말레이시아와 싱가포르를 연결하는 제방길이다. 영국령 말라야 시절인 1919년에 착공되었으며, 1923년에 완공되어 1924년부터 운영되고 있다. 섬인 싱가포르를 말레이반도와 연결시키는 중요한 교통 시설 중 하나다.
조호르-싱가포르 제방 상세
싱가포르와 말레이시아가 모두 영국령 말라야에 속해있던 시절 건설되었다. 처음에는 원시적인 수준의 둑방길로 건설되었으며, 현재의 모습도 원형과 크게 다르지 않다. 당시 싱가포르는 국제무역의 중추적인 항구로 발전하고 있었으며, 말레이시아는 고무, 주석, 팜유를 대량으로 생산하면서 산업 중심지로 발전하고 있었다. 영국은 말레이시아에서 생산된 상품을 싱가포르 항구로 옮기기 위해서 조호르-싱가포르 코즈웨이 건설을 결정하게 된다.
제2차 세계 대전 당시 일본군의 진격을 막기 위해서 다리가 잠시 폭파되었으며, 전쟁이 끝난 이후 다시 재건되었다. 말라야 연방이 말레이시아로 독립하고, 싱가포르주가 연방에서 탈퇴하면서 조호르-싱가포르 코즈웨이는 일종의 국경이 되었으며, 다리 끝에 국경검문소가 각각 설치되었다. 말레이시아 쪽은 조호르바루이며, 싱가포르 쪽은 우들랜즈이다.
오늘날 싱가포르로 출근하는 말레이시아인들이 자주 사용하는 교통시설이다. 조호르-싱가포르 제방의 교통량 증가에 따른 포화상태와 병목 현상으로 인하여 1994년 말레이시아-싱가포르 제2연결교가 별도로 건설되었다. 제2연결교 건설 이전까지 싱가포르의 유일한 육로였다.
스플라이소좀
스플라이소좀(spliceosome)은 주로 진핵생물의 세포핵 내에서 발견되는 대형 리보핵단백질(RNP) 복합체이다. 스플라이소좀은 소핵 RNA(snRNA)와 수많은 단백질로 구성된다. 소핵 RNA(snRNA) 분자는 특정 단백질과 결합하여 소핵 리보핵단백질 복합체(snRNP, "스너프스"로 발음)를 형성하며, 이는 다시 다른 snRNP와 결합하여 스플라이소좀이라는 대형 리보핵단백질 복합체를 형성한다. 스플라이소좀은 일차 전사체의 일종인 전사된 pre-mRNA에서 인트론을 제거한다. 이 과정은 일반적으로 RNA 스플라이싱이라고 불린다. 비유하자면, 영화 편집자가 초기 필름에서 관련 없거나 잘못된 자료(인트론에 해당)를 선택적으로 잘라내고 정리된 버전을 감독에게 보내 최종 편집을 하는 것과 같다.
그러나 때로는 인트론 내의 RNA가 리보자임으로 작용하여 스플라이소좀이나 단백질 효소를 사용하지 않고 스스로 스플라이싱하기도 한다.
스플라이소좀 역사
1977년, 필립 앨런 샤프와 리처드 J. 로버츠 연구실의 연구를 통해 고등 유기체의 유전자가 DNA 분자를 따라 여러 개의 다른 세그먼트로 "분할"되어 있거나 존재한다는 것이 밝혀졌다. 유전자의 코딩 영역은 단백질 발현에 관여하지 않는 비번역 DNA에 의해 분리된다. 분할 유전자 구조는 아데노바이러스 mRNA가 단일 가닥 바이러스 DNA의 엔도뉴클레아제 절단 단편과 혼성화될 때 발견되었다. mRNA-DNA 혼성체의 mRNA가 비수소 결합 영역의 5' 및 3' 꼬리를 포함하는 것이 관찰되었다. 더 큰 바이러스 DNA 단편이 사용되었을 때, 바이러스 mRNA와 혼성화될 때 고리형 DNA의 갈래 구조가 관찰되었다. 고리형 영역인 인트론이 샤프가 "스플라이싱"이라고 명명한 과정에서 전구체 mRNA로부터 잘려 나간다는 것이 밝혀졌다. 분할 유전자 구조는 이후 대부분의 진핵생물 유전자에 공통적으로 나타나는 것으로 밝혀졌다. 필립 앨런 샤프와 리처드 J. 로버츠는 인트론과 스플라이싱 과정의 발견으로 1993년 노벨 생리의학상을 수상했다.
스플라이소좀 구성
각 스플라이소좀은 5개의 소핵 RNA(snRNA)와 다양한 관련 단백질 인자로 구성된다. 이 작은 RNA들이 단백질 인자와 결합하면, SnRNPs(small nuclear ribonucleoproteins, "스너프스"로 발음)라고 불리는 RNA-단백질 복합체를 만든다.
주요 스플라이소좀을 구성하는 snRNA는 U1, U2, U4, U5, U6라고 불리는데, 이는 이들이 유리딘이 풍부하고 여러 RNA-RNA 및 RNA-단백질 상호작용에 참여하기 때문이다.
스플라이소좀의 조립은 각 엑손:인트론 접합부에서 각 pre-mRNA(이종 핵 RNA, hn-RNA라고도 함)에서 발생한다. pre-mRNA 인트론에는 스플라이소좀 조립 중에 인식되고 활용되는 특정 서열 요소가 포함되어 있다. 여기에는 5' 말단 스플라이스 부위, 분지점 서열, 폴리피리미딘 트랙 및 3' 말단 스플라이스 부위가 포함된다. 스플라이소좀은 인트론의 제거와 측면 엑손의 연결을 촉매한다.
스플라이소좀 구성
인트론은 일반적으로 5' 말단 스플라이스 부위에 GU 뉴클레오타이드 서열을 가지고 있고, 3' 말단 스플라이스 부위에는 AG를 가지고 있다. 3' 스플라이스 부위는 폴리피리미딘 트랙(PPT)이라고 불리는 가변 길이의 폴리피리미딘에 의해 더욱 정의될 수 있으며, 이는 3' 스플라이스 부위에 인자를 모집하고 분지점 서열(BPS)에 인자를 모집하는 이중 기능을 수행한다. BPS는 스플라이싱의 첫 번째 단계에 필요한 보존된 아데노신을 포함한다.
많은 단백질은 아연 결합 모티프를 나타내는데, 이는 스플라이싱 메커니즘에서 아연의 중요성을 강조한다. U4/U6.U5 삼중 소핵 리보핵단백질(tri-snRNP) 복합체의 첫 번째 분자 해상도 재구성 작업은 2016년에 보고되었다.
Shi 등은 극저온 전자현미경을 광범위하게 적용하여 효모와 인간 모두에서 스플라이소좀의 거의 원자 수준 구조를 밝혀냈다. 거의 원자 수준 해상도의 스플라이소좀 분자 프레임워크는 U5 snRNP의 Spp42 구성 요소가 중심 골격을 형성하고 효모의 촉매 중심을 고정한다는 것을 보여준다. 인간 스플라이소좀의 원자 구조는 2단계 구성 요소 Slu7이 확장된 구조를 취하고 3'-스플라이스 부위 선택을 위해 준비되어 있음을 보여준다. 효모 복합체의 모든 5개의 금속(Mg2+로 지정됨)은 인간 복합체에서도 보존된다.
스플라이소좀 선택적 스플라이싱
선택적 스플라이싱(다양한 엑손의 재조합)은 진핵생물에서 유전적 다양성의 주요 원천이다. 스플라이스 변이체는 현재 약 20,000개로 추정되는 인간 유전체의 비교적 적은 수의 단백질 코딩 유전자를 설명하는 데 사용되었다. 특정 초파리 유전자 Dscam은 모든 엑손이 서로 독립적으로 스플라이싱될 수 있다고 가정할 때 38,000개의 다른 mRNA로 선택적으로 스플라이싱될 수 있다고 추정된다.
스플라이소좀 스플라이싱의 위치
pre-mRNA 스플라이싱 인자는 원래 핵 반점(nuclear speckle)으로 알려진 핵체에 농축되어 있는 것으로 밝혀졌다. 원래 핵 반점은 mRNA 스플라이싱 장소이거나 mRNA 스플라이싱 인자의 저장 장소라고 가정되었다. 현재는 핵 반점이 물리적으로 가까이 위치한 유전자 근처에 스플라이싱 인자를 집중시키는 데 도움을 준다는 것이 이해되고 있다. 핵 반점으로부터 멀리 떨어진 유전자도 전사되고 스플라이싱될 수 있지만, 이들의 스플라이싱 효율은 반점에 가까운 유전자보다 낮다. RNA 스플라이싱은 생화학 반응이며, 모든 생화학 반응과 마찬가지로 그 속도는 효소와 기질의 농도에 따라 달라진다. 이 경우 효소는 스플라이소좀이고 기질은 pre-mRNA이다. 핵 반점에 대한 근접성에 따라 스플라이소좀과 pre-mRNA의 농도를 조절함으로써 세포는 스플라이싱 효율을 잠재적으로 조절할 수 있다.
스플라이소좀 조립
스플라이소좀 활성 부위 형성 모델은 pre-mRNA 기질에 개별 snRNP 입자가 순서적으로 단계별로 조립되는 과정을 포함한다. pre-mRNA의 첫 인식은 U1 snRNP가 pre-mRNA의 5' 말단 스플라이스 부위와 다른 비-snRNP 관련 인자와 결합하여 커밋먼트 복합체 또는 포유류의 초기(E) 복합체를 형성하는 것을 포함한다. 커밋먼트 복합체는 ATP 비의존적 복합체로, pre-mRNA를 스플라이싱 경로에 투입한다. U2 snRNP는 E 복합체 구성 요소인 U2AF(U2 snRNP 보조 인자) 및U1 snRNP와의 상호작용을 통해 분지 영역으로 모집된다. ATP 의존적 반응에서 U2 snRNP는 분지점 서열(BPS)과 단단히 결합하여 복합체 A를 형성한다. U2 snRNP와 pre-mRNA 분지 영역 사이에 형성된 이중 나선은 분지 아데노신을 돌출시켜 첫 번째 전이 에스테르화의 친핵체로 지정한다.