'풍년화' 나무를 모방해 점프 로봇 설계한다

미국에는 개암나무의 일종으로 꽃모양이 마녀의 흐트러진 머리칼을 닮았다 해서 '위치하젤(witch hazel)' 또는 '하마멜리스(hammamelis)'라고 불리는 식물이 자생하고 있다. 우리말로 '풍년화'라고 하는 이 식물은 초당 9m의 속도로 씨앗을 뿜어낼 수 있는 매우 독특한 재주를 가지고 있다. 

최근 과학자들이 이 식물을 자세히 관찰한 결과 어떻게 작동하는지 알게 되면서  풍년화 나무의 씨앗 퍼트리기 기술을 모방하여 우리 인간에게 필요한 새로운 청색기술을 개발할 수 있게 됐다.

최근 미국 노스캐롤라이나 듀크대학에서 생체역학을 연구하는 대학원생 저스틴 조지(Justin Jorge)와 지도교수인 셰일라 파텍(Sheila Patek) 연구팀은 3개의 위치하젤 종자의 열매 캡슐이 씨앗을 배출하는 모습을 비디오로 동영상 촬영했다. 

이들 연구팀은 씨앗이 너무 빨리 약 0.5밀리초(ms) 만에 최대 속도로 튕겨 나가기 때문에 초당 10만 프레임의 속도로 비디오를 촬영해야만 제대로 찍을 수 있었다.

결국 초저속의 슬로우 모션으로만 확인이 가능한 영상은 씨앗 캡슐이 건조해지면 변형된 나무 조각처럼 안쪽으로 휘어져 뒤쪽에 있는 씨앗의 측면을 꼬집는 것을 보여줬다. 이윽고 긴장 상태가 특정 한계점에 도달하면 씨앗은 쏜살같이 날아가 버린다.

대학원생 저스틴 조지는 "이 모습을 보면 우리가 손가락 사이로 수박씨를 쥐어 짜서 뽑아내는 것과 비슷하다"고 설명한다.

흥미롭게도 가장 무거운 씨앗과 가장 가벼운 씨앗의 무게 차이가 10배나 났지만 이들 모든 씨앗이 거의 같은 속도로 날아갔다. 이러한 사실은 더 큰 씨앗을 가진 식물의 경우 열매 캡슐이 비례적으로 더 크고 보다 많은 탄력 에너지를 생성하고 저장할 수 있기 때문이다.

저스틴 조지는 "탄력있는 물건을 생각할 때 일반적으로 고무줄, 코일 또는 양궁 활 등이 떠오르지만, 생물학에서는 이상하고도 복잡한 모양이 얼마든지 있다"고 말하며 "우리가 이러한 모양에서 영감을 얻으면 소형 점프 로봇에 사용되는 합성 스프링을 설계할 때 많은 도움을 받을 수 있을 것"이라고 말했다.