서울대학교 공과대학은 기계공학부(이승주 박사과정, 최준희 박사, 김호영 교수) 및 전기정보공학부(김성재 교수), 연세대학교(김원정 교수), 대구경북과학기술원(DGIST, 정소현 교수), 하버드 의과대학(김원석 박사) 공동 연구팀이 사막뿔도마뱀이 물을 마시는 물리적 원리를 세계 최초로 규명하고, 이를 모사해 오염된 흙으로부터 깨끗한 식수를 수집할 수 있는 혁신적인 생체 모방 수분 수집 시스템을 개발했다고 밝혔다.

서울대, 연세대, DGIST, 하버드 의대 등 다양한 국내외 기관의 연구진이 참여한 융합 연구의 결실인 이번 연구 성과는 그 우수성을 인정받아 세계 최상위권 융합과학 학술지 ‘PNAS(미국국립과학원회보’에 게재됐다.

특히 이번 연구는 PNAS의 편집장과 편집위원들이 그 주 발행되는 논문 중 가장 주목할 만한 우수한 연구를 직접 엄선해 소개하는 ‘이주의 논문(In This Issue)’ 섹션에 하이라이트 논문으로 선정돼 세계적인 주목을 받았다.

연구 배경

건조한 사막에 서식하는 사막뿔도마뱀은 비가 오거나 흙이 젖었을 때 피부 표면의 미세 통로를 통해 모세관 현상으로 수분을 머리 끝까지 빨아들인다. 하지만 도마뱀이 이렇게 입가에 모은 물을 어떻게 입안으로 삼키는지에 관한 구체적 원리의 규명은 수십 년간 생물학계의 미해결 난제로 남아있었다.

연구 성과

이에 연구팀은 초고속 카메라를 이용한 관찰을 통해 도마뱀이 물을 마실 때 입을 매우 천천히 벌리고 빠르게 닫는 ‘비대칭적인 턱 움직임’을 반복한다는 사실을 발견했다. 그리고 이를 유체역학적으로 분석한 결과, 입을 천천히 벌릴수록 턱 주변에 잔류하는 수분의 손실을 최소화해 더 많은 양의 물을 입안으로 밀어 넣을 수 있다는 사실을 증명해냈다.

나아가 연구팀은 사막뿔도마뱀의 피부와 입 주위에서 일어나는 이러한 모세관 펌핑 원리에 착안해 젖은 토양에서 물을 수확할 수 있는 인공 생체 모방 시스템을 세계 최초로 개발하는 성과를 거뒀다. 이 장치는 다공성 매질(스폰지)*을 이용해 흙 속의 수분을 빨아들이고, 모터로 구동되는 인공 턱의 비대칭적 움직임을 통해 물을 수집한다.

* 다공성 매질: 내부에 작은 구멍이 많이 분포한 물질. 물이나 공기 같은 유체가 그 안을 따라 이동할 수 있도록 하는 ‘통로 역할’을 한다.

특히 연구팀은 시스템 내부의 다공성 매질에 이온 교환 물질(Nafion·나피온)을 코팅해 수분 수집과 동시에 유해 중금속을 95% 이상 정화하는 데 성공했다. 아울러 이번에 개발한 턱관절 모사 펌핑 방식이 스폰지를 단순히 압축해 물을 짜내는 기존 방식보다 에너지 효율성이 우수함을 입증해 이 시스템이 휴대용 수분 채집기로 발전될 가능성을 열었다.

연구진 의견

서울대 김호영 교수는 “이번 연구를 통해 오랫동안 베일에 싸여 있던 사막 도마뱀의 경이로운 생존 전략을 유체역학적으로 규명하고, 이를 이용한 기계장치를 개발했다”며 “극한의 건조한 환경이나 심각하게 오염된 토양에서도 에너지를 적게 쓰며 안전한 식수를 확보할 수 있는 차세대 수자원 확보 기술의 중요한 원천이 될 것”이라고 연구의 의의를 설명했다.

공동 연구자인 서울대 김성재 교수는 “가까운 거리는 택시로 이동하고, 먼 곳은 비행기로 이동하는 것처럼 식수도 그 양에 따라 다양한 방식으로 정수를 할 수 있는데, 본 기술은 자원이 부족한 환경에서 최소한의 식수를 확보할 수 있는 소형 정수 장치로의 응용이 가능하다”고 밝혔다.

연구진 진로

본 연구를 주도한 제1저자 이승주 연구원(서울대 기계공학부 박사과정)은 이번 성과를 바탕으로 서울대학교에서 유체 제어 기술에 관한 연구를 지속적으로 이어나갈 예정이다.

한편 본 연구는 한국연구재단(NRF, 과제번호: 2018-052541)의 지원을 받아 수행됐다.

출처: 서울대학교 기계공학부 마이크로유체 및 소프트물질 연구실