▲ 연꽃잎의 미세한 돌기로 인해 물방울이 맺혀서 굴러떨어진다.
연꽃잎의 미세한 돌기로 인해 물방울은 맺히지만 먼지가 표면에 달라붙지 못하기 때문에 물방울과 함께 제거되는 것. 과학자들은 “미세 현미경으로 연꽃잎을 관찰하면 잎의 미세한 돌기로 인해 높은 접촉 각도가 생기고 물방울이 그대로 맺히게 된다”고 설명한다.
이 연잎효과는 생체모방기술로 공학적으로 많은 아이디어를 제공한다. 이를 이용해 필름을 코팅한 유리와 거울이 있는가 하면 지난 2009년 10월 포스텍 화학공학과 용기중(42) 교수 연구팀은 연잎효과를 활용, 돌기 대신에 다양한 물질의 나노선(Nano wire)에 발수물질을 코팅해 초발수성 표면을 제작하는 기술을 개발했다.
또 지난 10일 용기중 교수 연구팀은 연잎효과에 착안힌 또 하나의 개가를 올렸다. 그건 바로 빛의 방향에 따라 반응하는 메모리 소자. 용 교수는 “나노소자와 생체모방기술을 접목해 빛의 입사각에 따라 저항변화 특성이 조절되는 소자기술을 개발했다”고 발표했다.
이처럼 생체모방기술이 항후 고령화 시대의 대안으로 활발하게 연구되고 있다. 그중 가장 관심을 끄는 분야가 바로 고분자 액츄에이더로 작동하는 인공근육과 탄소나노튜브(CNT)로 된 생체모방신경이다. 전문가들은 “고령화시대를 맞아서 신경모방기술이 인공감각기관으로 진화할 것”이라고 말한다.
나노기술(NT)과 더불어 생체모방공학은 장애인과 노인의 한계를 넘어 진짜 600만 불의 사나이의 탄생을 향해 서서히 진화하고 있는 중이다.
장애인과 노인을 위한 생체모방기술
90년대 과학계를 뜨겁게 달군 이슈 중의 하나가 나노기술(NT)이다. 그중 가장 첨단을 달라고 있는 분야 가운데 하나가 바로 생체모방기술이다. 이 기술은 거동이 불편한 장애인과 노인들을 위해 빠르게 발전하고 있다.
지난 2009년 영국에 사는 에릭 존스(Eric Jones)씨는 암투병 중 손가락의 대부분을 잃는 불행을 당했다. 그런데 절망에 빠진 그에게 한 줄기 희망의 빛이 비쳤다, 그건 바로 영국의 터치바이오닉스(Touch Bionics)사가 개발한 ‘프로디지트(ProDigits)’라는 이름의 바이오닉스 기술이었다.
그는 이 기술의 도움으로 현재 장난감 레고 블록을 집을 수 있게 됐다. 프로디지트란 불의의 사고나 당뇨병, 암 등으로 부분 또는 완전 절단된 손가락을 대체하는 기술을 말한다.
그의 인공손가락 내부에는 컴퓨터 회로기판이 들어 있다. 즉, 환자에게 남아 있는 손가락이나 손바닥으로부터 오는 근육신호를 제어하는 소형전자센서가 들어 있어서 이를 통해 로봇 손가락을 움직인다. 또 하나는 손바닥뼈를 둘러싼 근섬유에 대응하는 압력을 이용한 터치패드를 사용하는데 거의 로봇과 비슷한 수준으로 알려져 있다.
생체근육은 액틴이란 가는 섬유와 미오신이란 굵은 섬유로 이뤄진 무수한 단백질 다발로 구성되어 있고, 인체 전기신호에 따라 섬유가 교대로 미끄러져 전체 다발의 수축-이완을 반복 유도하며, 적절한 부피 변형과 힘을 만들어내는 기능을 갖고 있다.
인공근육도 생체근육과 유사한 작용을 해야 한다. 따라서 환경적인 자극요소에 의해 변형, 응력, 변형속도 등이 제어될 수 있는 특성이 요구된다. 전문가들은 “힘의 증가, 신속한 응답, 저전력 구동에너지 등의 성능을 향상시키는 것이 중요하다. 또 사람 몸의 생체적 합성 및 생체조직과의 연계성도 매우 중요한 문제점”이라고 지적한다.
그럼에도 불구하고, 기존의 인공근육은 부피가 너무 커서 노인 환자나 장애인의 활동에 상당한 제약을 가하는 것이 사실이다.
그런데 최근에 노인과 장애인들에게 희소식이 생겼다. 간단한 생체전기신호에 의해 적절하게 수축과 이완이 가능한 전기활성 고분자(EPA)의 등장으로 인공근육의 부피가 작아지고 있기 때문이다. 그 주인공이 바로 탄소나노튜브(CNT). 이 기술을 응용한 생체모방기술은 한 차원 더 높은 곳을 향하고 있다.
▲ 나노기술의 발전으로 6백만불의 사나이의 부활도 가능해지고 있다. ⓒ연합뉴스
600만 불 사나이의 부활
우주비행사 스티브 오스틴은 훈련 도중 불의의 사고로 두 다리, 한쪽 팔 그리고 오른쪽 눈을 잃지만 6백만 불의 거금을 들여 커다란 트럭도 들어 올릴 수 있는 무쇠팔, 100m를 3.7초에 달리는 두 다리, 그리고 천리도 내다볼 수 있는 눈 등을 새로 갖는 행운의 사나이가 된다.
70년대 최고의 인기를 구가했던 미드 ‘6백만 불의 사나이’는 생체공학((Bionics)이 나오기도 전에 시대를 앞서가는 작가의 뛰어난 상상력에서 탄생했다. 따라서 어디까지나 이야기에서만 존재할 뿐이다.
하지만 21세기 들어 발전하고 있는 나노기술을 통해 과학자들은 6백만 불의 사나이를 이야기속에서 끌어내고 있다. 과연 600만불의 사나이가 탄생할 수 있을까?
천리안의 가능성은 시각생체모방기술에서 찾을 수 있다. 인간 눈의 망막에 심은 이미지 센서는 외부에서 들어온 빛을 화소단위의 전기적 신호로 바꾸어준다. 이것이 바로 CCD(Charge Coupled Device)다. CCD는 빛에 의한 전자들을 출력부까지 이동시킨 후, 전압형태의 신호로 변환시킨다.
이 신호가 광섬유를 타고, 수정체 뒤쪽으로 흘러가면 망막보철이 감응하고, 이 신호는 다시 시신경을 거쳐서 뇌에 전달되면 사물을 인지할 수 있다. 이 기술이 발전하면 미래에 천리안이 가능하지 않을까?
말보다 빨리 달리는 두 다리와 강력한 오른팔은 인간의 머리카락보다 10배나 작은 지름이지만 인공근육보다 1천배 강도가 높은 신소재 탄소나노튜브(CNT)를 이용한 생체신경기술에서 그 가능성을 찾을 수 있다.
지난해 이탈리아 트리에스테대학(University of Trieste) 연구진은 다중벽 탄소나노튜브와 척수를 연결, 나노물질과 신경 세포와의 상호작용을 관찰한 결과 뇌의 신경세포와 닮은 탄소나노튜브는 뛰어난 전기 신호 전도체이고 세포 멤브레인과 기계적으로 접합해 신경 구조와 기능적인 연결을 할 수 있음을 알아냈다.
연구진은 “이 연구결과는 신경 공학에서 나노물질의 적용을 증가시키는데 일조할 것”이라고 말했다.
올해 국내 포스텍 연구팀도 적은 전압으로 인공근육을 움직이게 할 수 있는 전기 감응성 고분자 액츄에이터를 개발했다. 이 기술은 마이크로 센서뿐 아니라 로봇과 인공 근육 등 생체 모방형 기술에 응용 가능성이 뛰어난 것으로 알려졌다.
이렇듯 빠르게 진화하는 생체모방기술의 발전은 ‘600만 불의 사나이’의 부활이 불가능한 것만은 아니란 사실을 말해준다.
사이언스타임즈
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