자연이 준 힌트, 생체모방과학
엉겅퀴 연잎 게코도마뱀에게 배운다
영화 스파이더맨의 주인공은 손목에서 나오는 거미줄을 이용해 건물과 건물사이를 자유자재로 날아다닌다. 얼핏 보기에는 황당무계한 공상과학 영화 같지만, 그 속에는 과학의 비밀이 숨겨져 있다.
스파이더맨의 주무기인 거미줄은 대단히 튼튼한 물질이다. 같은 직경에서 거미줄은 강철보다 강하고 나일론 보다 탄력성은 2배나 강하며 끊어질 때까지 몇 배나 늘어나는 성질을 가지고 있다. 나일론의 신축력은 16% 정도지만, 거미줄의 신축력은 31%에 달하며 인장력도 매우 강해 80kg의 무게도 견딜 수 있다. 스파이더맨은 완전한 허구가 아닌, 최근 주목받고 있는 생체모방과학을 기반으로 한 영화인 셈이다.
비행기부터 찍찍이까지…오래전부터 이어져온 자연모사
영화가 아닌 현실에서도 자연을 모방한 사례들은 많다. 특히 1990년대 이후부터는 마이크로·나노 기술이 발달하면서 자연을 모사한 생체모방과학 기술이 한층 더 발전하고 있다.
과학자들이 자연에 주목하는 이유는 짧게는 수백만 년, 길게는 수억 년 가까이 특정 상황에 적응해온 검증된 결과이기 때문이다. 또한 생물들은 공해 없이 물질을 생산하고, 생산된 물질도 공해를 일으키지 않는다는 장점도 가지고 있다.
자연에서 영감을 얻어 기술에 응용하는 생체모방기술을 오래전부터 찾아볼 수 있다. 라이트 형제는 대머리수리가 나는 것을 보고 비행기를 제작했으며, 우리나라의 이순신 장군은 거북이를 모방해 거북선을 만들었다. 20세기에 들어서는 상업적 성공을 거둔 발명품도 등장한다. 1948년 스위스의 발명가 죠지 드 메스트럴(George de Mestral)은 그의 애완견과 함께 산책을 하다가 자신의 바지와 개의 털에 붙어 있는 엉겅퀴 씨앗을 보고, 어떻게 엉겅퀴가 개의 털에 바짝 붙어 떨어지지 않는지 호기심을 갖고 연구한 결과 ‘찍찍이’라고 불리는 벨크로 제품을 발명했다. 이는 수천만 달러의 산업으로 발전한 생체모방의 상업화 사례다.
물이 안 묻는 표면
연잎은 깨끗하지 않은 연못에 살면서도 항상 청결하다. 표면이 물에 젖지 않으며 먼지 하나 앉을 수 없기 때문이다. 연잎 표면을 전자현미경으로 확대해 보면 10~20㎛(마이크로미터)의 돌기가 있고, 그 위는 100㎚ 정도 돌기로 다시 덮여 있다. 그리고 표면에 왁스 성분이 덮여 있어 물이 맺히면 그대로 굴려 내려 먼지나 모래를 닦아 준다. 이런 성질을 ‘초발수성’이라고 한다.
초발수성 표면은 오염 물질이 있을 때 물만 뿌려줘도 자기 세정이 된다. 마이크로·나노 크기 돌기가 계층을 이루고 있는 구조를 에너지가 낮은 화학물질로 코팅하면 이와 같은 초발수성 표면을 만들 수 있다는 사실이 알려지면서 관련 연구가 활발히 진행 중이다.
반영구적인 초발수성 투명 유리는 향후 자동차, 건설 산업에 응용할 수 있다. 와이퍼가 필요 없는 자동차 유리나, 자기 세정이 가능한 태양전지 표면과 도로 표지판을 만들 수 있다. 이밖에 다양한 산업 분야에서 파급효과를 기대할 수 있다.
게코 도마뱀의 발바닥에는 미세한 털이 있어 어디든 자유롭게 달라붙는다. ⓒ GIST
어디나 잘 붙는 게코도마뱀
어디에나 몸을 붙이고 있을 수 있는 게코도마뱀을 모방하려는 노력도 활발하다. 게코도마뱀이 벽이나 천장에 자유롭게 붙어 다니는 건 발바닥에 아주 작은 마이크로·나노 구조물인 털이 있기 때문이다. 나무가 큰 기둥에서 줄기가 나와 작은 나뭇가지로 뻗어 나가는 것처럼 게코도마뱀 발바닥에도 굵은 털에서 뻗어 나간 미세한 털이 200㎚(나노미터) 굵기로 나 있다. 이런 나노 털 덕분에 부스러기나 화합물의 흔적을 남기지 않고 붙어서 걸어 다닐 수 있다. 계층 구조를 지녀서 울퉁불퉁한 표면에서도 부착력이 전혀 떨어지지 않고, 먼지도 잘 붙지 않는다. 게다가 물을 좋아하는 성질도 지니고 있다.
‘게켈(Geckel)’이라는 접착제는 게코도마뱀의 발가락과 홍합 접착 단백질의 특성을 융합해 만들었다. 1000번 이상 붙였다 떼도 접착 성능이 유지되며, 물속에서도 접착성이 사라지지 않는다. 이종호 광주과학기술원(GIST) 교수팀은 게코도마뱀의 특성을 이용, 옷이나 피부에 전자소자를 쉽게 떼었다 붙였다 할 수 있는 ‘게코프린팅’ 기술을 개발하기도 했다.
로봇에서도 ‘생체모방’ 활발
인간을 비롯한 동물이나 곤충, 물고기 등의 기본구조, 원리와 메커니즘을 모방한 생체모방로봇 분야도 주목을 받고 있다. 산업, 군사, 환경 등 전 분야에서 활용할 수 있다.
이러한 로봇은 재난·극한 지역 임무수행, 재활 및 보조의학, 약물전달, 게임·엔터테인먼트 등에 유용하다. 특히 3D 프린팅 등 소재가공 산업, 웨어러블 전자기기 산업 등과 결합돼 막대한 파급력을 갖게 될 것으로 기대를 모으고 있다.
국내에서는 DGIST(대구경북과학기술원)가 저수지 수질측정을 위해 생체모방 드론(무인항공기)인 가오리로봇을 개발했고, 서울대가 스텔스 기능과 주변에 맞춰 색깔을 변화할 수 있는 곤충정찰 로봇을 개발 중이다. 해외에서는 미국이 초소형 정찰용 ‘나노 벌새’ 로봇을 만드는가 하면, 영국이 손바닥 크기의 ‘검은 말벌’ 로봇을 아프가니스탄 전쟁에 투입한 바 있다.
- 백나영 기자
- 저작권자 2015.05.26 ⓒ ScienceTimes