KISTI의 과학향기

사람의 근육을 대신할 인공근육 개발 연구는 1950년 pH 변화에 따라 수축현상을 일으키는 인공섬유가 개발된 이래 지금까지 50년 이상 지속돼 왔으나 발전 속도는 더디기만 했다. 근육을 인공으로 개발한다는 것 자체가 쉽지 않기 때문이다. 근육은 뼈에 부착된 채로 수축ㆍ팽창되면서 각 신체 부위를 원하는 위치로 이동시키고, 자세도 바꿔주며 중력에 대항해 체중을 지탱하는 복잡한 역할을 수행한다. 따라서 실용화를 위해서는 신속한 수축ㆍ팽창 이외에도 내구성 및 에너지 효율성도 높아야 하는데 이를 모두 만족시키는 인공근육 개발이 쉽지 않았다.
그런데 최근 탄소나노튜브를 이용해 스스로 에너지를 만들어 작동하는, 소위 ‘인간 근육’과 가장 유사한 ‘인공근육 장치’가 미국 텍사스대 나노기술연구소 연구팀에 의해 개발됐다. 특히 이 연구에는 부산대 물리학과 박사과정에 있는 오지영 씨가 참여했는데 탄소나노튜브 근육 개발의 주도적인 아이디어를 제공한 것으로 알려졌다.

이번 연구에서 인공근육의 재료로 이용된 탄소나노튜브는 6개의 탄소가 육각형 벌집무늬로 결합되어 튜브형태를 이루는 인공물질로, 반도체·초전도 등 다양한 성질을 가지며 그 안에 다른 원소를 투입하면 전혀 다른 성질을 띠기 때문에 흔히 21세기 꿈의 신소재라고 불린다.
이 탄소나노튜브의 면면을 살펴보면, 일단 전기 전도율이 구리와 비슷하고, 열전도율은 자연계에서 가장 뛰어난 다이아몬드와 같다. 강도는 철강보다 100배나 뛰어나고 잡아당기는 힘에 견디는 것은 다이아몬드보다도 강하다. 탄소가 늘어선 모양에 따라 구리보다 전기가 잘 통하는 도체가 되기도 하고, 반도체가 되기도 한다.
또 탄소섬유는 1％만 변형시켜도 끊어지는 반면 탄소나노튜브는 15％가 변형되어도 견딜 수 있다.
특히, 적당한 전기를 공급하면 좌우로 꺾으면서 접을 수 있는 ‘접자’가 쫙 펴지듯이 늘어나거나 줄어드는 등 신축성이 좋으며 수소를 산소와 반응시켜 전기를 만들어내는 촉매 역할을 하기도 하는데 텍사스대 나노기술연구소 연구팀은 탄소나노튜브의 이러한 성질을 이용해 연료전지 겸 인공근육을 만들었다.

우선 가느다란 탄소나노튜브 가닥을 부직포처럼 얼기설기 엮은 후 꽉 눌러 머리카락 굵기 5천분의 1 크기의 가는 선을 만들어 공중에 매달고 끝에 50g의 추를 단 후 이 선을 기준으로 한쪽에서는 메탄올을 다른 한쪽에서는 산소를 공급한 것. 그 결과 이 선이 메탄올 속의 수소와 공기 중의 산소와의 반응을 도와(촉매 역할) 전기를 만들었고, 그 생성된 전기로 선이 수축하면서 50g의 추를 공중으로 가볍게 들어올렸다. 이 과정에서 탄소나노튜브는 인간 근육보다 훨씬 뛰어난 수축력을 보였는데 관계자들에 따르면 자연근육 수축력의 100배에 이른다. 이에 따라 이 개발이 실제 인공근육으로 현실화될 경우 TV 상에서 소머즈나 600만불 사나이가 자동차 한쪽을 들어올리는 장면을 실제로 재현해 보일 수도 있을 것으로 기대되고 있다.

이번 실험은 모터와 배터리 없이 수소만 공급하면 전기에너지를 생산해 구동할 수 있다는 점과 이 근육으로 로봇을 개발할 경우 현재까지 개발된 최상급 배터리보다 최고 30배 이상 긴 구동시간을 유지할 수 있는 로봇의 가능성을 열었다는 점에서 의미하는 바가 크다.
또 이같은 인공근육 장치들이 실제 인공근육으로 어어 질 경우 장애인을 위한 팔다리, 군인들을 위한 외골격은 물론 원자력 발전소나 우주개발 등 인간이 작업하기 힘든 위험한 곳에서 오랫동안 작업해야 하는 로봇이나 군사용 로봇의 근육에 활용될 수 있을 것으로 예상되고 있다. 이렇게 되면 인간보다 훨씬 강한 군사용 로봇들이 인간을 대신해 전쟁하는 영화가 실현될 지도 모를 일이다. (글 : 서현교 - 과학칼럼니스트)