피부에 가해지는 자극을 스스로 인식하는 인공피부, 상처를 입어도 시간이 흐르면서 저절로 재생되는 인공피부가 연달아 개발되어 화제다. 뼈대와 근육에 비해 개발속도가 뒤쳐졌던 로봇공학 분야에 획기적인 변화가 일어날 것으로 보인다.

첫 번째 연구는 물질의 특성이 불규칙하게 변화되는 비선형적 ‘벨루소프-자보틴스키(BZ) 화학반응’을 이용했다는 점에서 주목을 받는다.

기계적인 자극을 가하면 에너지가 전환돼 화학적으로 반응을 보이는 것이다. 별도의 전원을 연결하지 않아도 움직임을 유발할 수 있다.

미국 MIT와 피츠버그공대 공동연구진이 수행했으며, 학술지 ‘어드배스드 펑셔널 머티리얼(Advanced Functional Materials)’ 최근호에 게재됐다. 논문 제목은 ‘벨루소프-자보틴스키 겔에서의 화학적 진동으로 인한 기계적 재생(Mechanical Resuscitation of Chemical Oscillations in Belousov–Zhabotinsky Gels)’이다.

두 번째 연구는 사람의 피부처럼 상처를 입으면 붉게 변하고 스스로 재생하기까지 한다. 인공피부의 새 장이 열린 셈이다. 미국 서던미시시피대학교가 작성한 이 논문은 지난달 26부터 28일까지 샌디에이고에서 열린 ‘제243회 미국화학회(ACS) 춘계학술대회’에서 발표되었다.

주기적으로 진동하는 ‘벨루소프-자보틴스키 반응’

1951년 러시아 과학자 보리스 벨루소프(Boris Belousov, 1930~1998)가 화학적으로 물질에 진동을 일으키는 방법을 고안해냈다. 보통의 화학반응은 시간에 따라 일관된 방향으로 증가하거나 감소하는 ‘선형적’ 변화를 보여준다. 그러나 특정한 조건에서는 물질이 불규칙하게 변할 수도 있다는 ‘비선형적’ 변화가 제기되던 시절이었다.

벨루소프는 ‘혼돈으로부터의 질서’ 등을 저술해 새로운 열역학 개념을 내세운 모스크바 출신의 벨기에 물리학자 일리아 프리고진(Ilya Prigogine, 1917~2003)이 제기했던 가설을 증명해 논문으로 완성했다. 그러나 당시 학계에서는 비선형적 반응이 물리학적으로 불가능하다며 인정을 받지 못했다.

그러던 1964년 아나톨 자보틴스키(Anato Zhabotinsky, 1938~2008)가 실험조건을 변경함으로써 주기적이고 반복적인 변화가 일어나는 진동현상을 발견해 논문을 발표했다. 이 현상은 두 사람의 이름을 따 ‘벨루소프-자보틴스키(BZ) 반응’으로 명명됐다.

자연계에는 유사한 원리를 지닌 현상이 많지만 인공적인 합성물을 개발한 것은 1990년 후반이 최초였다. 외부의 자극이 없어도 스스로 화학반응을 일으키며 주기적으로 진동하기 때문에 배양접시에 물질을 올려놓으면 심장이 뛰는 것처럼 움직인다. 그러나 실험조건이 까다롭고 조절이 어려워 지금까지 별다른 진척을 보이지 못했다.

미국 피츠버그주립대학교 스완슨공대 석유화학공학과의 안나 발리쉬(Anna Balazs) 석좌교수가 연구에 뛰어들면서 상황이 변했다. 발리쉬 교수는 일정 수준을 넘는 기계적인 자극을 가하면 화학반응이 시작될 것이라는 가설을 제시했다.

가설의 증명은 MIT 재료공학과의 크리스틴 반블리트(Krystyn Van Vliet) 부교수가 맡았다. 반블리트 교수는 벨루소프-자보틴스키 반응을 일으키는 겔 성분을 만들어 기계장치에 넣고 압축시켰다. 자극이 임계점을 넘어서자 겔이 움직이기 시작했다. 기계적인 자극이 화학반응을 촉발한 것이다.

연구진은 이 물질로 인공피부를 만들면 로봇이 손으로 물건을 쥘 때나 어딘가에 부딪혔을 때 자극의 정도를 판단하는 압력센서 기능을 할 것으로 전망하고 있다.

빛만 쬐어도 스스로 치유하는 인공피부도 등장

상처를 입었을 때 사람처럼 색깔이 변하고 스스로 재생되는 인공피부도 개발됐다. 미국 서던미시시피대학교의 마렉 어번(Marek Urban) 교수 연구진은 내부에 ‘분자 연결고리(molecular bridges)’를 지닌 신소재 플라스틱 물질을 개발해 몇 번이고 되살아나는 자가치유 인공피부를 만들어냈다.


이 물질은 강한 자극을 받으면 연결고리가 끊어지며 성분에 변화가 일어난다. 그러나 빛을 쬐거나 온도가 달라지는 등 적합한 자극을 주면 스스로 재생해 본래의 모습을 되찾는다. 자동차 범퍼에 적용하면 사고가 난 후에 손전등만 비추어도 원상 복구된다. 연구비를 미국 국방부가 지원했으므로 신무기나 군용장비에 사용될 가능성이 높다.

어번 교수는 미국화학회(ACS)의 발표자료를 통해 “동물부터 식물까지 자연 생물체 모두가 지니고 있는 자가치유 능력을 화학적으로 구현한 것”이라고 설명했다. 또한 손상 여부를 쉽게 파악하기 위해 “상처가 나면 붉게 변하도록 화학구조를 변형시켰다”고 밝혔다. 독성이 없는 물질만을 사용해 친환경적이라는 점도 눈길을 끌었다.

어번 교수는 “고온에도 견딜 수 있도록 연구를 계속하겠다”고 밝혔다. 인공피부 신기술이 속속 개발되면서 인간과 유사한 미래형 로봇이 현실에 등장할 날도 가까워지고 있다.