무엇이든 자유자재로 만들 수 있는 물질

SF 영화 트랜스포머를 보면 등장하는 로봇들은 자유자재로 변신한다. 지금 시점에서는 다소 허황된 스토리처럼 보인다. 그런데, 물질의 모양을 그렇게 변하게 할 수 있는 것이 결코 상상 속의 이야기만은 아닌 듯하다. 하바드 대학교의 연구진은 최근 3D 프로그램으로 컨트롤할 수 있는 '메커니컬 메타물질(Mechanical Metamaterial)'을 만들어 냈다. 이는 물질의 모양과 부피, 사이즈 등을 프로그램의 형식을 통해 바꿀 수 있는 물질인데, 이를 활용하여 다양한 목적이나 환경에 맞춰 자동으로 형태가 변환되는 구조물을 만들어 낼 수도 있다.

이 물질은 평평한 구조로 만들었을 때 코끼리의 무게까지도 견딜 정도로 견고해질 수 있다고 하는데, 이 새로운 메타물질은 아주 작은 의료용 나노구조물에서부터 큰 빌딩에까지 다양한 목적에 맞게 활용될 수 있다. 나노 스케일에서 미터 단위의 스케일까지 가능하므로 말 그대로 외과 의료용 기기부터 재난시 구조용 팝업돔까지 만들 수 있다는 의미가 되겠다.

이 물질은 스내폴로지(snapology)라 불리는 모듈러 유닛기반의 종이공작(Origami)에서 영감을 얻은 것으로 알려졌다. 이는 종이 조각들이 복잡한 다면체 형태로 조립되는 공작이다. 메타물질 또한 돌출된 형태의 24면 36개 모서리를 가진 큐브 구조물로 만들어졌다. 전통적인 종이 공작처럼 이 물질도 모서리를 접어 모양을 바꾼다. 그러나 일반적인 종이공작과는 달리 리모컨으로 조종되는 공기압축 액츄에이터에 의해 접기와 펴기가 제어된다. 3차원의 얇은 벽 형태의 구조물로 만들어져 있어서 접을 수 있고 모양 뿐만 아니라 부피와 경직도까지 프로그램화가 가능하다.

현재 연구팀에서 보는 유망한 응용분야는 우주공간에서 사용하는 태양열 패널, 플렉시블 외과의료기기, 플렉시블 전자부품 등이 있는데, 스내폴로지(snapology) 기술과 원격 조종이 되는 액츄에이터 기술을 통합해서 응용하면 한 단계 높은 기술도 가능할 것으로 보고 있다. 예를 들면, 휴대용 쉘터라든가 자유롭게 변형이 가능한 빌딩 외관, 개폐식 지붕 등이다. 현재의 기술과 달리 이 기술은 기본적으로 간단한 구조이며 구조물과 표면이 융합되는 기술이기에 훨씬 다양한 장점이 있다.

폴리머 시트를 사용하여, 연구팀은 64개의 셀을 팽창과 수축을 통해 전체적인 모양을 완전히 바꿀 수 있는 4x4x4 큐브로 만들어냈다. 또한, 미세구조의 방향을 변경하거나 완전히 평면으로 만들기도 하였다. 또한, 향후 열-반응 액츄에이터, 유도전류형 액츄에이터, 공기압 액츄에이터, 그리고 물-반응 액츄에이터까지 다양한 액츄에이터를 사용하면 환경에 따라 자동으로 변형이 가능한 지능형 구조물도 가능하다.

이 연구 결과는 최근 네이처 커뮤니케이션 (Nature Communications) 저널에 게재되었다.