모터 필요 없는 ‘자가 추진’ 물질 발견

파리지옥과 같은 식충식물의 움직이는 방법에 착안해 모터나 배터리가 없어도 스스로 움직일 수 있는 물질이 개발됐다. 이 물질은 환경에서 나오는 에너지의 흐름에만 의존해 재빨리 움직인 다음 다시 제 모양으로 되돌아오는 동작을 반복할 수 있다.

이 물질은 외부 동력원 없이 자신의 에너지만으로 움직일 수 있는 미래의 군사용 로봇에도 사용될 수 있다는 점에서 주목을 끌고 있다. 미국 육군 전투력 발전사령부 무장센터(DEVCOM)의 자금 지원을 받은 이 연구 결과는 재료 분야 국제 학술지 ‘네이처 머티리얼즈(Nature Materials)’ 최신호에 발표됐다.

미국 매사추세츠 애머스트 대학 연구진은 모터나 외부 동력원 없이도 스스로 움직임을 이어갈 수 있는 물질을 제작할 수 있는 방법을 발견했다. ⓒYongjin Kim, UMass Amherst

미국 매사추세츠 애머스트 대학(UMass Amherst) 연구진은 젤 조각이 마르는 현상을 관찰하는 일상적인 실험에서 이상한 현상을 발견했다. 길고 탄력 있는 젤 조각이 증발에 의해 내부의 액체를 잃었을 때 스스로 움직인다는 사실을 알아낸 것. 그 같은 움직임은 대부분 느렸지만, 때로는 매우 빠른 속도로 진행됐다.

‘스냅 불안정성’으로 불리는 그 같은 빠른 움직임은 내부의 액체가 이따금씩 일정한 수준에 도달했을 때 일어났다. 스프링과 빗장을 결합하는 한 가지 방법인 스냅 불안정성은 고무총과 같은 장난감은 물론 소형 로봇이나 기타 장치에서 빠른 움직임을 만들어내는 데 많이 사용되고 있다.

스스로 계단을 오르는 작업도 가능해

그런데 이런 장치들이 계속 움직이기 위해서는 모터나 사람의 손이 필요하다. 하지만 이번 발견으로 모터나 외부 동력원이 필요하지 않은 다양한 장치들을 개발할 수 있게 됐다.

연구진은 젤 조각이 마르는 과정의 물리학을 학습한 후 예상되는 방식으로 반응할 가능성이 가장 높으며, 모터가 재설정하지 않고도 반복적으로 움직이는 방식을 찾아내기 위해 다양한 모양의 젤 조각을 만들었다. 그 결과 특정한 형태의 젤 조각은 스스로 계단을 오르는 것과 같은 작업도 해낼 수 있다는 사실을 알아냈다.

매사추세츠 애머스트 대학 고분자공학과의 알 크로스비(Al Crosby) 교수는 “이번 연구는 증발이라는 환경과의 상호작용을 통해 재료가 강력한 움직임을 생성할 수 있는 방법을 보여주는데, 특히 모터나 배터리 또는 기타 에너지를 사용하기 어려운 초소형의 새로운 로봇을 설계하는 데 중요하게 사용될 수 있다”고 밝혔다.

이번 연구에는 알 크로스비 교수를 비롯해 크로스비 교수 연구실의 대학원생인 김용진 씨, 그리고 방문 학생 연구원인 네덜란드 델프트공과대학의 제이 반 덴 버그(Jay Van den Berg)가 참여했다.

근육 없는 파리지옥도 빠르게 움직여

동식물 중에서도 특히 작은 일부 생물의 경우 스프링이나 걸쇠처럼 작동하는 특별한 부분을 사용해 근육이 많은 동물들보다 훨씬 더 빨리 움직이곤 한다. 식충식물인 파리지옥이나 거대한 집게 같은 턱으로 다른 개미를 포함해 온갖 곤충을 잡아먹는 육식성 개미인 집게턱 개미가 좋은 예다.

파리지옥의 경우 뇌와 근육을 갖고 있지 않으므로 기계적이고 화학적인 일련의 과정에 의존해 빠른 움직임으로 파리 같은 곤충을 잡는다.

스스로 움직임을 이어가는 재료를 고속으로 촬영한 이미지. ⓒYongjin Kim, UMass Amherst

이번 연구는 미국 듀크대학 생물학과의 쉴라 파텍(Sheila Patek) 교수가 이끄는 다학제 연구 프로젝트의 일부인 것으로 알려졌다. 이 프로젝트는 빠르게 움직이는 생물 유기체에서 유사한 메커니즘을 발견해 새로운 공학 장치의 개발로 연결하는 것을 목표로 한다.

이 프로젝트에 자금을 지원한 DEVCOM의 랄프 앤티엔 박사는 “이번 발견은 미국 육군과 국방부의 미래 활동 및 관련 시스템에 수많은 응용 프로그램을 제공할 것으로 여겨진다”고 밝혔다.

이번에 새로 발견된 젤 조각은 몇 년 전에 애벌레에서 영감을 받아 제작된 로봇과 매우 유사하다. 이 로봇은 외부의 빛에 반응해 기어 다니는 애벌레의 움직임을 흉내 낸다. 이 같은 기계들은 동력원이나 모터를 탑재할 필요가 없으므로 소형으로 제작돼 특별한 작업을 수행할 수 있다는 장점을 지닌다.