인디아 과학연구소와 라이스 대학의 연구원들은 연체동물이 심해의 바닥에서도 높은 압력을 견딜 수 있는 방법을 연구하고 있다. 연체동물은 속은 부드러우나 외부 껍데기는 매우 험한 조건에서도 스스로를 보호할 수 있게 디자인되어 있다. 연구원들은 이들 단단한 껍데기들이 생성되는 방법과 이들 디자인의 기계적인 원리가 건물 및 자동차와 같은 인간 규모의 구조물에 사용될 수 있는 방법을 이해하기 위해서 일반적인 연체동물의 이동 서식지를 모델로 하고 있다. 인도 과학연구소의 학생이며 라이스 대학의 방문학생인 Chandra Sekhar Tiwary가 이끄는 연구팀은 컴퓨터 모델들과 인도 해변에서 수집한 실제 껍데기들과 함께 스트레스 시험을 수행하기 위한 3D로 인쇄된 두 종류의 껍데기를 개발하였다. 연구원들은 몇 년 동안에 걸쳐 진화된 껍데기들은 연체동물의 내부를 보호하는데 효과적일 뿐만 아니라 부드러운 물체들이 거의 존재할 수 없을 것 같은 지역에서 스트레스를 다시 돌린다고 발표하였다.

과학의 진보 미국협회는 이들 결과를 온라인 잡지에 게재하였다. 조개껍질은 진주층을 포함하고 있는데 이 층은 탄력이 있고 무기물과 유기물이 혼합된 강한 매트릭스로 되어 있다. 이들에 대한 연구는 최근에 다른 라이스 대학의 기술자들이 강도, 강성 및 단단함에 대한 연구를 수행하였다. Tiwary와 그의 연구팀은 파괴가 일어나는 경우들에서 손상을 줄이기 위해 스트레스를 다시 조정하는 방법과 조개껍데기의 안정성에 관한 비밀을 발견하기 위해 연구에 새로운 영역을 첨가하였다. 계산에 의하면 독특한 껍질 형상이 이들을 진주층 단독으로 견딜 수 있는 하중의 2배를 견딜 수 있다는 것을 증명하였다.

연구원들은 두 종류의 연체동물을 연구하였는데 하나의 연체동물은 뚜껑이 달린 것과 비슷한 경첩(hinge)에서 만나는 뚜렷한 외골격 구성물을 가진 쌍각류 조개를 포함하고 다른 하나는 terebidae로서 자신을 나사와 같은 형상의 껍질에 숨길 수 있다. 쌍각류 조개는 굴곡이 진 골과 반원형 형상 때문에 스트레스는 경첩에 적용되는 반면에 terebidae는 하중이 나사에 의해 중앙과 넓은 꼭대기로 향하게 된다. 이러한 종류의 진화 최적화는 파쇄가 단지 내부의 유기체를 최소한으로 다치게 하는 지역에서만 일어나게 할 수 있다. Tiwary는 방갈로르 인도과학연구소의 기계과학 학장인 Kamanio Chattopadhyay와 연구를 함께 수행하였다. 연구원들은 기술자들이 자동차 부품, 보호실드 및 건물의 디자인에 상어 이빨 및 새부리 껍질과 같은 자연형태에서 기계적인 개념을 사용하고 있다는 것을 관찰하였다. “그러나 조개는 다양한 기계적인 하중을 다르게 하기 위해 진화적인 최적화의 이상적인 예를 나타낸다. 자연은 계속하여 사물을 아름답게 보이게 만들지만 우리는 진실로 그들이 왜 그런 형태를 가지는지에 대해서는 주의를 하지 않는다“고 라이스 대학 재료과학연구실의 Chandra Sekhar Tiwary는 말한다.

수학자, 예술가 및 생물학자들은 조개껍질에 대한 문헌적인 정보를 제공하는 반면에 재료학자들은 “이들 복잡한 형태들이 결코 쉽지 않기 때문에 이들에 대해 계속해서 고려하고 있다”고 Tiwary는 말한다. 3D 인쇄가 몇 년에 걸쳐 매우 빠르게 발달되었기 때문에 강하고 탄력이 있는 재료들로 된 형상을 모방하는 것은 매우 쉽게 되었다. “3D 인쇄기술 덕분에 이들 아이디어들은 보다 넓은 실제상황에 확대될 수 있다”고 그는 말한다. 연구원들은 부채 형상의 고분자 조개껍질을 인쇄하였는데 이들 껍질은 전형적인 집광 뼈대를 포함하지 않는다. 또한 깔때기는 나사를 모방하는 형태로 만들어졌으나 복잡하지 않다. 연구원들은 뼈대가 없는 부채 모양이 팬을 기반으로 하지만 이들을 조개껍질을 가로지르는 세 개의 다른 지역으로 스트레스를 다시 조정하는 데에는 매우 효율적이라는 것을 발견하였다. 부채에서 최종적으로 발견되는 갈라진 틈은 인쇄된 껍질과 실제 껍질 기반의 부채 근처 동일한 지점에서 관찰되었다. 복잡한 나사 형태에서 분포되어 있는 스트레스는 완전히 다르다는 것을 발표하였다. 강한 내부껍질 축은 외부 표면으로부터 가장 많이 그리고 쉽게 스트레스를 받으며 이는 가장 위로 이동하게 된다. 연구원들은 나사 형태의 조개껍질이 섬세한 내부를 보호하는 데에는 가장 이상적이라고 결론지었다. “보다 정교한 많은 형상이 있으며 이들은 새로운 구조보다 더 우수한 구조일 수 있다”고 Tiwary는 말한다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』