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美 MIT 연구진, 거미줄 섬유로 인공 근육 개발에 나선다
등록일 : 2019-07-02 11:29 | 최종 승인 : 2019-07-02 11:29
고철환
거미줄 섬유를 활용하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다(사진=셔터스톡)

[FAM TIMES(팸타임스)=고철환 기자] 거미는 생물학적 구조와 생태계에서의 역할 뿐만 아니라 거미줄에 대한 잠재적인 용도 때문에 가장 폭넓게 연구되는 종에 속한다. 거미는 단백질 섬유를 분비해 먹이를 잡는 거미줄을 만든다. 많은 과학자가 다양한 시도를 통해 거미줄 사용의 응용 분야에 대해 연구하고 있다. 최근 한 연구가 거미줄의 또 다른 응용 가능한 분야를 밝혀냈으며 이는 매우 획기적인 혁신을 불러일으킬 것으로 전망되고 있다.

거미줄의 섬유

거미가 만드는 단백질 실크는 오래전부터 강도, 탄력성 및 유연성을 포함한 독특한 특성으로 알려져 왔다. 연구진은 거미줄의 또 다른 뚜렷한 특성이 로봇 작동기와 인공 근육을 한 단계 발전시키는 데 기여할 것으로 기대하고 있다.

해당 연구 결과는 사이언스 어드밴스 저널에 발표되었다. 이번 발견은 마르쿠스 뷸러, 클레어 수, 다비아오 리우, 안나 타라카노바 박사 등 다양한 분야의 전문가들이 협업한 결과다. 뷸러 박사는 미국 매사추세츠공과대학(MIT) 교수로 도시환경공학과 학과장을 맡고 있다. 수 박사와 타라카노바 박사 또한 MIT에 재직 중이다. 리우 박사는 중국 화중과기대학의 교수로 재직 중이다.

연구진이 관찰한 바에 의하면, 거미줄의 탄력 있는 섬유는 습도 변화에 강하게 반응했다. 이 섬유는 일정한 습도에 노출될 때 뒤틀리고 수축한다. 또한 일반 작동기로 사용되는 재료나 물체에 상응하는 힘을 발휘할 수 있다. 밸브 개방과 같은 운동 메커니즘을 제어하는 데 충분한 수준이다.

연구진은 거미줄이 소위 '과수축(Supercontraction)'이라고 불리는 성질을 가졌다는 사실을 발견했다. 거미줄의 얇은 섬유는 습도 변화에 따라 갑작스럽게 수축될 수 있다. 과수축이란 거미줄이 동시에 뒤틀리고 수축한다는 사실을 의미한다. 거미줄의 강하고 저항력이 높은 비틀림 힘은 현재 새로운 현상으로 간주되고 있다.

놀라운 혁신으로 이어진 우연한 발견

리우 박사는 거미줄의 새로운 특성을 우연히 발견했다고 말했다. 애초에 연구진은 습도가 거미줄에 미치는 영향을 연구 중이었다. 거미줄에 상당량의 추를 매달아 진자와 유사한 구조를 만들고 상대습도를 적용한 실내에 보관했다. 연구진은 습도를 높이자 진자가 회전하는 모습을 보고 매우 놀랐다. 이는 가설에 포함되지 않았으며 심지어 예상하지도 못한 현상이었다.

이후 연구진은 실제 실험을 통해 사람의 머리카락 등 다른 물질을 평가했다. 그러나 거미줄과 유사한 뒤틀림 현상이 나타나는 물질을 찾을 수 없었다. 그러자 리우 박사는 거미줄의 수축 기능을 인공근육 제작에 활용할 수 있겠다고 생각했다.

과학자들은 거미줄의 수축성이 인공근육에 활용될 수 있으리라고 생각했다(사진=셔터스톡)

거미줄의 응용 분야

뷸러 박사는 거미줄의 수축성은 비록 우연히 발견된 사실이지만 로봇 공학 분야 전문가들의 큰 관심을 불러 일으켰다고 말했다. 습도 노출을 통해 제어 장치 또는 센서의 특정 동작을 조절하거나 통제할 수 있는 가능성을 보여준다. 세계 각지의 여러 연구자들이 거미줄 섬유의 성질을 모방한 합성 섬유를 제작하기 위해 노력하고 있다.

연구진은 거미줄의 과수축 특성이 거미줄 망을 강화하는 데 도움을 준다고 결론지었다. 거미줄은 아침 이슬의 습기에 반응해 팽팽하게 당겨질 정도로 반응한다. 이는 거미줄의 손상을 최소화하는 데 도움을 주며 거미가 먹이를 잡기 위해 사용하는 진동 반응 수준을 증가시킨다.

뷸러 박사는 거미줄의 수축성에서 어떠한 생물학적 중요성을 찾지 못했다고 언급했다. 연구진은 분자 모델링과 실험실 연구의 결합 작업을 통해서만 수축성의 메커니즘 기능을 파악할 수 있었다. 이것이 거미줄에서 발견되는 단백질 구축 블록인 '프롤린(Proline)' 때문이라는 사실을 발견했다.

거미줄 섬유가 인간 생활을 돕는 기본 재료로 사용될 가능성이 있다(사진=셔터스톡)

타라카노바 박사와 수 박사는 실험을 통해 결합 연구와 발견을 위한 분자 메커니즘을 찾으려는 시도를 했다고 언급했다. 이들은 특정 분자 모델을 필요로 하는 기본 메커니즘을 추적했다. 결과적으로 프롤린에 기초한 가능한 메커니즘을 찾을 수 있었다.

연구진은 거미줄이 프롤린 구조가 그대로 유지된 상태에서 습도에 노출된 경우에만 뒤틀림 현상이 나타난다는 것을 발견했다. 습도가 없는 경우 뒤틀림도 없었다. 거미줄은 프롤린이 함유된 단백질 섬유로 되어있어 다른 물질에 비해 뒤틀림 힘이 더 강하다.

이 획기적인 발견은 우연한 일이기는 하지만 사용자와 지지자, 로봇 분야의 전문가들뿐만 아니라 다른 산업 분야에도 도움이 될 것으로 여겨지고 있다. 가까운 미래에 거미줄은 인간의 생활에 사용될 수 있는 더 많은 메커니즘의 기본 재료가 될 것으로 보인다.