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가오리처럼 '웨이브 댄스' 추는 표면 오염 방지 기술 나왔다

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가오리처럼 '웨이브 댄스' 추는 표면 오염 방지 기술 나왔다

2019.12.04 12:00
UNIST와 포스텍 연구팀이 공동 개발한, 가오리 지느러미의 동작을 모사한 인공근육과 피부의 모습이다. 자석을 이용해 자유롭게 휘어지는 동작을 구현해, 표면 주변에 다양한 흐름을 만들어 오염물 및 세균의 접근을 막는다. UNIST 제공
UNIST와 포스텍 연구팀이 공동 개발한, 가오리 지느러미의 동작을 모사한 인공근육과 피부의 모습이다. 자석을 이용해 자유롭게 휘어지는 동작을 구현해, 표면 주변에 다양한 흐름을 만들어 오염물 및 세균의 접근을 막는다. UNIST 제공

빨래에 더러운 물질이 묻으면 손에 들고 털어 오염물을 제거한다. 바닷속에 사는 가오리 역시 표면에 모래 등 이물질이 묻으면 지느러미를 마치 '웨이브 댄스'를 추듯 펄럭여 털어낸다. 동물의 이런 행동에서 영감을 얻어 표면의 오염을 막는 독특한 오염 방지 기술을 국내 연구팀이 개발했다. 의료기기나 선박, 해양시설 등에서 미생물에 의한 오염을 막는 데 쓰일 수 있을 것으로 기대된다.

 

울산과학기술원(UNIST)은 정훈의 기계항공및원자력공학부 교수와 고한길, 박현하 연구원, 이상준 포스텍 교수팀이 자석에 잘 달라붙는 소재를 이용해 가오리 지느러미를 모방한 ‘움직이는’ 오염 방지 표면 소재를 개발했다고 4일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스’ 11월 30일자에 발표됐다.
 

물질의 표면은 늘 물이나 공기에 노출돼 먼지와 미생물의 오염에 노출돼 있다. 생물 중에는 이런 오염에 피해를 입지 않도록 다양한 기술을 개발했다. 연잎 등 일부 생물은 몸 표면의 미세한 구조를 이용해 오염물이 미끄러져 달라붙지 않게 한다. 매미 날기 역시 표면구조를 통해 미생물이 씻겨내려가게 한다. 이런 성질을 이용한 오염 방지 표면 기술은 널리 연구돼 왔지만, 표면이 마모되면 기능이 떨어진다는 단점이 있었다.

 

이를 극복하기 위해 표면에 주름을 만들고 반복해서 주름을 변화시켜서 오염물을 제거하는 기술도 개발돼 있지만, 오염물을 떼어낼 수는 있어도 붙지 못하게 하지는 못한다는 한계가 있었다.

 

연구팀은 발상을 바꿔 표면의 특성이 아닌 움직임에 초점을 맞춘 오염 방지 기술을 개발했다. 특히 웨이브 댄스를 추듯 펄럭이며 이물질을 터는 가오리의 지느러미에 주목했다. 연구 결과 펄럭이는 움직임은 오염물을 단순히 털어내는 동작이 아니었다. 고 연구원은 “가오리는 지느러미 모양을 변화시키며 표면에 소용돌이 흐름인 와류를 형성시킨다”며 “와류가 오염물질이 지느러미 표면에 접근하게 막지 못하는 역할을 한다”고 설명했다. 뿐만 아니라 표면에 수평 방향으로, 마치 빗자루로 표면을 쓰는 듯한 흐름도 동시에 만들어 오염물을 쓸어내듯 제거했다.
 

가오리 지느러미를 닮은 오염 방지 기술의 움직임을 연속 촬영했다. 마치 웨이브 댄스를 추듯, 또는 파도가 전달되듯 움직임이 표면을 따라 전달된다. UNIST 제공
가오리 지느러미를 닮은 오염 방지 기술의 움직임을 연속 촬영했다. 마치 웨이브 댄스를 추듯, 또는 파도가 전달되듯 움직임이 표면을 따라 전달된다. UNIST 제공

연구팀은 플라스틱의 일종인 폴리우레탄 아크릴레이트로 인공 피부를 만들고, 그 안에 유연한 고분자 물질과 카르보닐철 입자를 섞은 인공근육을 만들어 가오리 지느러미의 움직임을 흉내냈다. 카르보닐 철은 자석에 달라붙는 성질이 있다. 연구팀은 인공근육과 피부 위로 자석을 움직여 자석 위에 있는 인공근육이 이에 반응해 수축하도록 했다. 수축은 피부 표면을 따라 마치 웨이브 댄스를 추듯 전달됐고, 이에 따라 소용돌이 흐름과 표면을 빗자루로 쓰는 듯한 흐름이 만들어졌다.

 

연구팀은 인공근육의 수축량과 주기를 조절해 인공근육이 오염물을 가장 잘 제거할 수 있는 조건도 찾아냈다. 박 연구원은 “박테리아가 표면에 접근하는 것을 막아 오염을 효율적으로 막을 수 있다는 사실을 확인했다”고 말했다.

 

정훈의 교수는 “기존의 움직이지 않는 오염 방지 표면 기술의 한계를 극복한 기술”이라며 “지속적으로 오염을 막아야 하는 의료기기나 해양구조체, 선박 표면 등에 적용할 수 있을 것”이라고 말했다.

 

연구팀은 외부에서 물이나 공기의 흐름을 가해 비슷한 효과를 얻을 수 있을 것으로 보고 연구를 계속하고 있다.

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