국립금오공과대학교는 전석진 재료공학부 교수 연구팀이 미국 콜로라도주립대학교와의 공동연구를 통해 '형상 변화를 이용해 추진 모션과 이동 방향을 제어할 수 있는 미생물 모사 초소형 입자' 개발에 성공했다고 14일 밝혔다.
이번에 개발된 미생물 모사 입자는 길이 약 40㎛ 수준의 초소형 구조로, 대형 박테리아와 유사한 크기이다. 외부자극에 반응해 성질이 변하는 자극감응성 하이드로젤과 팽윤하지 않는 단단한 물질의 이중층 구조로 구성되어 있으며, 주변 온도 변화에 따라 하이드로젤 층의 부피가 변화하여 입자의 곡률이 조절된다.
기존 고정 형상 입자의 경우 추진 모션과 이동 방향이 단일 형태로 제한되어 있어, 이동 방향을 전환하기 위해서는 외부 전기장 또는 자기장의 방향을 변경해야 하는 한계를 가진다. 이에 반해, 이번에 개발된 미생물 모사 형상 가변 입자는 전기장의 변화 없이도 입자 자체의 형상 변화만으로 추진 모션 및 이동 방향을 능동적으로 제어할 수 있다는 차별성을 지닌다.
연구진은 교류 전기장 하에서 물의 온도를 조절함으로써 입자의 형상과 방향을 선택적으로 변화시키는 데 성공했다. 이 과정에서 입자는 형상 변형과 함께 유효 분극도가 변화하며, 이러한 복합적 효과로 인해 발생하는 비대칭 이온 흐름이 추진 모션과 이동 방향을 제어하는 핵심 구동 메커니즘으로 작용한다.
연구진은 입자의 형상 변화에 따라 직선 모션과 나선 모션 간의 추진 방식 전환이 가능하며, 각 모션 상태에서 이동 방향을 정밀하게 제어할 수 있음을 실험적으로 확인했다. 더 나아가 미생물 모사 입자가 폐곡선을 따라 이동한 뒤 출발점으로 복귀하는 시연에 성공함으로써, 목적 지향적 유영이 가능함을 입증했다.
전석진 교수는 “이 연구에서 제시하는 형상 변화와 전기적 분극 특성을 결합한 새로운 모션 제어 원리는 향후 마이크로 로보틱스 및 능동 입자 기반 시스템 설계에 활용될 수 있는 중요한 기초 토대를 제공할 것” 이라며 “특히 미세 환경에서의 정밀 조작과 표적 지향적 이동이 요구되는 의료용 마이크로 로봇 분야에서 선도적인 기여가 가능할 것으로 기대된다”고 밝혔다.
이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 성과는 최근 세계적 권위를 지닌 다학제 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 게재됐다.
구미=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
