국내 연구진이 제비꽃 열매 꼬투리가 마르며 접히는 힘으로 씨앗을 순차적으로 튕겨내는 원리를 규명하고, 이를 바탕으로 상처 봉합과 종양 절제 등에 활용할 수 있는 차세대 유연 로봇 개발 가능성을 제시했다.
과학기술정보통신부는 서울대학교 생명과학부 현유봉 교수와 기계공학부 김호영 교수, 대구경북과학기술원 로봇 및 기계전자공학과 정소현 교수 공동 연구팀이 제비꽃 열매 꼬투리의 기하학적 구조를 분석해 복잡한 장치 없이 힘을 제어하는 원리를 밝혀냈다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 국제학술지 「사이언스」에 게재됐다.
일반적인 식물은 열매가 터지며 씨앗을 한꺼번에 퍼뜨리는 방식으로 번식한다. 반면 제비꽃은 열매 꼬투리가 건조되면서 안쪽으로 접히는 힘을 이용해 씨앗을 하나씩 차례로 튕겨내는 독특한 전략을 사용한다. 이러한 방식은 씨앗 위치에 맞춰 힘의 중심이 이동해야 하기 때문에 구현이 쉽지 않지만, 제비꽃은 단순한 구조만으로 이를 실현한다.
연구팀은 제비꽃 열매 꼬투리를 정밀 분석한 결과, 건조 과정에서 나타나는 ‘지퍼링’ 동작이 핵심 역할을 한다는 사실을 확인했다. 꼬투리는 수분 변화에 따라 접힘을 유도하는 부분과 씨앗에 직접 힘을 전달하는 얇은 막 구조로 이루어져 있으며, 이 구조가 맞물리듯 접히면서 씨앗을 순차적으로 밀어낸다.
또한 열매 꼬투리의 단면이 반원형 구조를 이루고 있어 접힘 과정에서 생성되는 힘이 특정 지점에 집중되는 것으로 나타났다. 꼬투리 양 끝의 형태 차이로 인해 힘이 얇은 막을 따라 이동하며, 씨앗이 배열된 순서대로 앞에서부터 차례로 방출되는 원리가 구현된다.
연구팀은 실제 제비꽃 시료와 이를 모사한 인공 장치를 비교 분석해 이러한 구조가 제한된 자원으로도 효율적인 힘을 만들어내도록 최적화되어 있음을 입증했다. 특히 접힘 과정에서 발생하는 막 응력이 씨앗 방출에 필요한 힘을 효과적으로 집중시키는 역할을 한다는 점도 확인됐다.
이번 연구는 복잡한 모터나 배터리 없이 구조 자체의 설계만으로 정교한 움직임을 구현할 수 있음을 보여준다. 연구팀은 이를 응용해 상처 봉합 패치나 조직 절제 장치 등 의료 분야에 활용 가능한 소프트 로봇 개발로 이어질 수 있다고 설명했다.
연구를 수행한 연구진은 “제비꽃은 최소한의 자원으로 효율적인 힘 전달이 가능하도록 열매 구조를 진화시켜 왔다”며 “이 원리는 차세대 소프트 소재 설계와 생체모사 로봇, 의료기기 개발에 폭넓게 활용될 수 있다”고 밝혔다.
과기정통부는 이번 성과가 기초연구 사업의 다양한 단계에 참여한 연구자들이 협력해 이룬 결과라고 평가하며, 향후에도 연구 역량 강화를 위한 지원을 이어갈 방침이라고 밝혔다.
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