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곽현수(포항공과대학교 기계공학부)
2022-06-14
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지금까지 잎사귀에 담겨있는 복잡한 수학적인 원리와 이를 기반으로 형태를 모사하려는 다양한 연구에 대해서 알아보았습니다. 이번 시간에는 보다 더 활용적이고 실제로 우리 제조업이라든지 다양한 산업에 어떻게 사용되고 적용되는지 알아보려고 합니다. 최근에 "Self-Morphing system"이라 하는 연구 분야가 미래의 중요한 산업 [9]으로 각광받고 있습니다. 이들의 경우 추가적인 자극이라든지 화학적인 반응이 없이 순수히 기계적인 힘으로 자발적으로 원하는 대로 접히거나 형상을 자유자재로 변화할 수 있는 새로운 건축 개념을 의미합니다. 이 Self-Morphing의 원리 역시 잎사귀에서 발생하는 형상 변형을 기반으로 합니다. 이들을 구성하고 있는 물성들을 비 균일하게 배치하여 비 균일한 응력을 내부에 형성하게 하여 어떤 부분은 많이 접히게 되고 어떤 부분은 적게 힘을 받아 변형이 덜하는 등 차등 팽창의 원리와 유사합니다. 이를 활용한다면 최근에 각광받는 키리가미, 오리가미 구조와 같은 형태로 적용될 수 있습니다.  또한 위와 같이 정적인 구조물 뿐만 아니라 Bio-Locomotion [10]이라 하는 Soft Robotics에도 적용될 수 있습니다. 위에서 언급했던 얇은 디스크 형태가 접힘과 펴짐을 컨트롤하여 수중에서 이동이 가능한 새로운 개념의 소프트 로봇이 개발되었습니다.  환경과 상호작용하는 식물과 같은 원형의 얇은 구조물을 갖는 유기체들의 변형에서 영감을 받게 되어 인위적으로 공압을 가하여 좌우 대칭 구조 혹은 비 대칭 구조의 변형을 반복적으로 발생시켜 일종의 모션을 표현하는 방식으로 바다에서 전진할 수 있는 소프트 로봇을 개발한 사례입니다.  일반적으로 식물은 내부 줄기의 가압을 통한 팽창 압력을 이용하여 형태 변화와 파리 지옥과 같은 정형화된 움직임을 보입니다. 하지만 이러한 가압은 살아있는 세포의 생화학적 과정뿐만 아니라 외부 수분으로 인한 수화 혹은 탈수록 인한 죽은 세포 내부의 수분의 정도에 따라서도 압력의 변화를 이룬 식물들을 종종 확인할 수 있다. 다음과 같은 퍼진 식물의 종자가 스스로 꼬투리를 여는 것과 같은 현상이나, 까끄라기 씨앗이 땅으로부터 수분을 얻어 스스로 나선형 구조로 변화하여 땅속으로 박히는 것과 같습니다. 대표적인 연구로는 사막의 식물인 rose of jericho plant로, 그림 a. a. 형태의 식물은 죽고 사막의 건조한 공기로 건조되면서 그림 a. b 와 같이 안쪽으로 말리게 됩니다. rose of jericho plant는 사막이 건조할 때는 닫힌 상태를 유지하고 씨앗을 보호하고 건조한 시기에 씨앗이 분산되는 것을 방지하고 장마가 왔을 때 바깥쪽으로 줄기를 펴며 마치 장미와 같이 활짝 폅니다. 이때 과일이 열리게 되고 비로소 씨앗을 퍼뜨리게 됩니다. 연구자들은 식물 줄기 내부 수분 변화로 인한 방향성이 있는 팽창과 수축을 반복하는 점을 이용하여 소프트 액츄에이터에 응용하기도 하였습니다.  마지막으로 소개할 식물을 토대로한 생체 모방 연구는 식물에서 일반적으로 확인할 수 있는 셀룰로오스로 구성된 fibril(피브릴)구조입니다. 식물은 동물과는 다르게 세포벽이 존재하고 세포벽의 주요 구성 성분은 흔히 알려진 셀룰로오스 입니다. 식물의 강성을 담당하는 세포벽은 단단해야며 그에 따라 셀룰로오스는 식물의 다른 구성 요소보다 비교적 뻣뻣합니다. 이는 식물이 물을 흡수하더라도 모든 방향으로 균일하게 커지지 않고 특정 방향으로 더 많은 변형이 일어나게 됩니다. 이는 구불구불하게 자라나는 식물을 통해서 쉽게 확인할 수 있습니다. 과학자들은 여기에 영감을 받아 생체 모방 4d 프린팅으로 식물의 피브릴 구조를 모사하였습니다. Fig. 3 a은 4d 프린팅을 나타낸 이미지로 프린터에서 출력되는 구조물 내부에 셀룰로오스 역할을 하는 셀룰로오스 섬유를 길이 방향으로 정렬하며 구조물이 출력되도록 하여 식물의 생체 모방 연구를 진행하였습니다. 출력된 구조물은 하이드로겔이라는 물을 쉽게 흡수할 수 있는 젤을 사용하였으며 물로 구조물을 팽창시키면 길이방향보다 두께 방향으로 더 많은 팽창이 일어나는 것을 확인할 수 있었습니다. 이는 뻣뻣한 피브릴 구조로 인한 현상입니다. 과학자들은 여기에 그치지 않고 다양한 구조물을 제작하였습니다. 이중층 격자로 구성된 꽃 형태로 꽃잎을 인쇄하였으며 구조물이 물을 흡수하여 팽창할수록 점점 닫히는 것은 그림 b를 통해 볼 수 있었으며, 격자 구조를 45도로 회전시켜 출력된 구조물은 처음에는 비록 같은 형상이더라도 팽창 과정에서 점차 다른 방식으로 진화하는 것을 확인할 수 있었습니다. 우리는 다음 생체 모방 연구를 통해서 식물의 서로다른 형태는 이러한 식물 내부의 피브릴 구조의 배열에 따라 바뀌는 것을 간접적으로 확인할 수 있었습니다. 지금까지 식물세계에서 존재하는 아름답고 복잡한 구조의 변형에 담겨있는 수학 이야기와 그 원리에 대해서 살펴보았고 이를 인위적으로 구현하기 위한 생체모사기술들에 대해서 살펴보았습니다. 또한 이들을 활용하여 기존에 불가능했던 기술들을 가능하게하는 새로운 개념의 Morphing system 혹은 Soft Robotic을 사례로 다양한 곳에 적용이 될 수 있는 무궁무진한 매력적인 연구분야라고 생각합니다.  |
- Self-Morphing system
- 비 균일한 응력
- Bio-Locomotion
- Soft Robotics
- 소프트 액츄에이터
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