[청색기술의 스승] 세계에서 가장 빠른 펀치를 가진 사마귀새우...사지가 어떻게 살아남는가?

갑각류인 사마귀새우의 곤봉 같은 집게발에 있는 충격 흡수층을 조사하여 얻은 통찰력은 견 고한 신소재 설계에 영감을 줄 수 있다.

세계에서 가장 무시무시한 갑각류 중 하나가 자신의 몸을 손상시키지 않고 먹잇감에게 치명 적인 펀치를 날릴 수 있도록 진화했으며, 최근 과학자들이 그 방법을 밝혀냈다. 지난 6일 국제학술지 ‘사이언스’에 발표된 연구에 따르면 사마귀새우의 펀치용 팔다리인 닥틸클럽(dactyl club)은 연체동물이나 다른 갑각류의 껍질을 깰 때 발생하는 충격파를 흡수할 수 있는 다층 구조를 가지고 있다고 한다.

프랑스 리옹대에서 생체 재료를 연구하는 프랑스 국립과학연구센터의 물리학자 마룬 아비 가넴은 이 연구 결과가 유용한 특성을 가진 인공 재료 설계에 영감을 줄 수 있다고 말한다. 이러한 물질은 초음파를 통해 조직을 통해 방출되는 에너지를 수집할 수 있는 수술용 임플 란트나 휴대폰 및 기타 전자제품용 기계식 필터를 만드는 데 사용될 수 있다.
아비 가넴과 그의 동료들은 인도양과 태평양에 서식하는 공작 사마귀새우의 클럽을 분석했 다.
키틴(chitin)이라는 천연 고분자와 사람의 뼈와 치아에 있는 것과 유사한 칼슘 함유 미네랄 을 포함하는 클럽의 외골격은 세 개의 층으로 이루어져 있다. 가장 안쪽 층에는 '불리간드 구조(Bouligand structure)'가 있는데, 이 층에는 키틴 섬유가 연필 묶음처럼 서로 다른 방향 으로 뻗어 있어 일부는 외부 층을 향하고 일부는 평행하며 일부는 그 사이에 각도를 이루도 록 배열되어 있다. 섬유의 방향은 무작위가 아니라 500마이크로미터 정도마다 반복되는 주 기적인 방식으로 변화한다.
사마귀새우의 강력한 공격은 그 결과 발생하는 힘을 견딜 수 있는 강력한 보호 메커니즘을 필요로 한다. 최근 연구에 따르면 음조 밴드갭(phononic bandgap)이 사마귀새우의 방어 체 계를 보완한다고 하지만, 이 메커니즘에 대한 직접적인 실험적 증거는 아직 밝혀지지 않았 다. 이 연구에서는 레이저 초음파 기법과 수치 시뮬레이션을 사용하여 사마귀새우의 닥틸 클럽의 음향학적 특성을 탐구했다. 연구 결과, 닥틸 클럽의 주기적 영역은 낮은 메가헤르츠 범위에서 블로흐(Bloch) 고조파, 평평한 분산 가지, 초저주파 모드 및 넓은 브래그(Bragg) 밴 드갭을 나타내는 분산형 고품질 등급 시스템으로 기능한다는 것을 보여주었다. 이러한 기능 은 충격 시 공동화(空同化·cavitation) 버블 붕괴로 인해 발생하는 유해한 고주파 스트레스 파로부터 사마귀새우를 효과적으로 보호한다.
앞으로 사마귀새우의 강펀치를 모방한 청색기술로 유용한 특성을 가진 인공 재료 설계에 영 감을 줄 수 있을 것으로 보인다.