자연의 신비가 최고의 발명품… 현대 과학기술 ‘생체모방’

인간은 끊임없이 고민하고 무언가를 새롭게 만들어낸다. 문명의 발전을 이끄는 과학기술 역시 탐구와 발명의 토대 위에서 존재한다.하지만 인간에게 가장 많은 아이디어를 제공하고 영감을 주는 것은 결국 자연이다. 지구에 단세포로 처음 등장한 이후 수십억년에 걸쳐 진화해 온 동물과 식물은 상상할 수 없을 정도로 정교해 ‘신비’와 ‘경외’라는 찬사를 받기에 부족함이 없다. 기상현상이나 먹이사슬에서 자신을 보호하기 위해, 또 생존을 위해 변신을 거듭해 온 현재의 모습 자체가 훌륭한 발명품이다. 동식물을 비롯한 자연의 모습을 연구해 최대한 가깝게 흉내내는 분야는 이미 ‘자연모사’ 또는 ‘생체모방’이라는 이름으로 과학의 주류가 된 지 오래다.



●거미·연꽃·도마뱀… 위대한 스승들

거미는 어떻게 눈에 잘 보이지도 않는 가느다란 실에 몸을 맡길 수 있을까. 수많은 식물 중 유독 장미 가시는 왜 날카롭고, 파리를 비롯한 곤충들은 천장에 발을 붙이고 매달려 있어도 떨어지지 않는 것일까. 자연모사는 이 같은 궁금증에서 출발한다.

주위에서 자연을 흉내낸 기술이나 제품을 찾는 것은 어렵지 않다. 생체모방을 말할 때 가장 대표적인 사례로 거론되는 것은 ‘벨크로’다. 벨크로 테이프는 1948년 프랑스의 조르주 드 메스트랄이 발명했다. 산길을 걸을 때 바지 자락에 엉키는 엉겅퀴, 도깨비풀 등의 갈고리를 흉내낸 것이다. 진화학에서는 식물이 갈고리를 갖게 된 것은 좀 더 넓은 지역으로 퍼져 종족을 보존하기 위한 수단으로 보고 있다. 식물의 생존본능이 인간의 손을 거쳐 신발과 의류를 고정시키는 새로운 역할을 맡게 된 셈이다.

최근 인기를 끌었던 할리우드 영화 ‘미션 임파서블3’ 속에서 주인공 이단 헌트(톰 크루즈 분)는 장갑을 끼고 거대한 유리빌딩을 거침없이 오른다. 현실에서 개발되고 있는 이 장갑의 기본원리는 벽과 천장을 자유자재로 기어다니는 게코도마뱀에서 비롯됐다. 게코도마뱀의 발바닥에는 길이 50~100㎛(마이크로미터, 1㎛=100만분의1m)에 불과한 공간에 지름 5~10㎛의 강모가 수백만개 이상 덮여 있다. 각각의 강모는 다시 주걱 모양의 섬모 수백개로 구성돼 있다. 개별 섬모들의 힘이 모여 결국 강력한 부착력을 만들어내는 것이다. 이 같은 원리가 현실화되면 별도의 접착제 없이 막대한 무게를 지탱할 수 있고, 세척 등의 절차 없이 무한정 재활용이 가능하다는 점에서 활용 가능성이 높다. 2000년 게코도마뱀 발바닥의 원리를 처음으로 밝혀낸 스탠퍼드대 연구진은 유리벽을 기어오를 수 있는 로봇 ‘스티키봇’을 선보였지만 수차례 사용하고 나면 섬모를 흉내낸 발바닥 전체를 갈아야 했다. 나노미터 단위의 섬모를 정교하게 만들 수 있는 기술이 완벽하지 않았기 때문이었다. 그럼에도 불구하고 스티키봇은 타임이 선정한 2006년 최고의 발명품으로 꼽혔다.

섬유나 소재 분야에서 가장 매력적인 모방 대상은 거미다. 거미가 강철보다 10배가량 강한 거미줄을 뽑아내듯 대량생산할 수만 있다면 이는 산업혁명에 비견될 만한 파괴력을 가질 것으로 예상된다. 특히 생체 재질을 그대로 재현할 수 있다면 인공섬유가 지배하고 있는 의료 분야에서도 수많은 한계를 극복할 수 있다. 인공 거미줄은 그래핀이나 탄소나노튜브 등 신소재의 등장에 힘입어 다양한 형태로 등장하고 있다. 거미줄을 타고 빌딩 숲속을 날아다니는 스파이더맨이 미래에는 마냥 허황된 얘기가 아닐 수 있다는 것이다.

물을 튕겨 내는 연꽃잎의 돌기는 이미 많은 분야에서 상용화돼 있다. 섬유의 올 하나하나에 돌기를 만들어 비에 젖지 않는 옷이 탄생했고, 스스로 먼지나 오염을 튕겨내는 페인트도 연꽃의 원리와 같다. 세계적인 자동차 회사들은 연꽃 효과를 내는 차량용 코팅제를 만들기 위해 애쓰고 있다. 물과 오염을 차단할 수 있는 코팅제가 개발되면 세차 자체가 필요 없어진다는 점에 착안한 것이다. 이 밖에 해저동물의 청각기관에서 비롯된 잠수함 추적 센서 등도 자연 그 자체를 연구한 대표적인 연구 성과로 평가된다.

●딱정벌레에서 얻은 잠금장치

생체모방 분야의 권위자인 서갑양 서울대 기계항공공학부 교수는 주변에서 흔히 볼 수 있는 딱정벌레에 주목했다. 서 교수는 6일 “딱정벌레의 날개가 서로 맞물리도록 돼 있는 구조를 연구해 신개념 나노구조 잠금장치를 개발했다.”고 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스트 머티리얼스’ 최신호 표지논문으로 게재됐다. 딱정벌레의 날개는 몸체에 비해 상대적으로 크지만 섬세하다. 서 교수는 이 날개가 어떻게 몸체와의 쓸림(마찰)을 방지하고 외부 환경으로부터 스스로를 보호하는지 살폈다. 그 결과 딱정벌레 날개 곳곳에 미세한 섬모가 있어 몸체와의 결합력을 극대화시키며, 섬모의 크기가 작아질수록 결합력이 더 커진다는 사실을 발견했다. 연구팀은 딱정벌레의 섬모와 유사한 크기의 섬모를 다양한 길이 비율과 재료를 이용해 제작, 접착력을 상호 비교·분석하고 섬모 간의 결합력과 형태를 직접 확인하는 데 성공했다. 서 교수는 “이번에 제작한 미세섬모 제조기술은 결합력이 뛰어난 반면 소음이 없어 우주 항공이나 스마트기기, 의료장비 등에 폭넓게 사용될 수 있다.”면서 “피부에 부착해 생체신호를 모니터링하는 센서 등이 대표적인 사례가 될 것”이라고 설명했다.

박건형기자 kitsch@seoul.co.kr