제비꽃 열매 꼬투리의 정밀 동작 기하학적 원리 및 활용

[연구필요성]

제비꽃은 열매 꼬투리가 마르며 접히는 힘을 이용해 씨앗을 하나씩 튕겨 발사하는 독특한 번식 전략을 갖고 있음.

씨앗을 차례로 발사하려면 필요한 힘이 씨앗의 위치에 맞춰 이동해야 하는데, 이는 생각보다 복잡한 기계적 과제임.

제비꽃은 이러한 과제를 놀라울 정도로 작고 단순한 열매 꼬투리 구조만으로 해결함.

[연구성과/기대효과]

이번 연구는 제비꽃이 최소한의 자원만으로도 효율적으로 힘을 전달하는 ‘지퍼링(zippering)’ 동작을 구현할 수 있도록 열매 꼬투리의 기하학적 구조를 영리하게 진화시켜 왔음을 밝혀냄.

제비꽃 열매 꼬투리 동작의 기하학적 원리는 간단한 디자인만으로도 부드러운 소재의 정교한 움직임과 힘을 구현하는 차세대 소프트 소재 설계에 새로운 영감을 제공하고, 특히 상처 치료 패치와 같은 의공학 소재는 물론, 생체모사 소프트 로봇과 의료기기 개발에도 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 전망됨.

[본문]

□ 제비꽃 열매 꼬투리의 ‘지퍼링’ 동작에 의한 폭발적 종자 산포

제비꽃 열매 꼬투리의 ‘지퍼링’ 동작

제비꽃 종자 산포 방식의 기계적 특장점

□ 힘 발생에 최적화된 반원형 구조로부터 유래하는 제비꽃 열매 꼬투리의 2차원 접힘

제비꽃 열매 꼬투리의 횡단면 2차원 구조

접힘 힘 전달 최적화 반원형 이중층 구조

□ 제비꽃 열매 꼬투리 ‘지퍼링’ 동작에 의한 전달 힘 증강 및 증강 지점의 이동

제비꽃 열매 꼬투리의 3차원 기하학적 구조에 의한 ‘지퍼링’ 동작

접힘 운동에 수반하는 꼬투리 신장 및 막 응력에 의한 전달 힘 증강

□ 제비꽃 열매 꼬투리 모사 ‘지퍼링’ 액츄에이터

제비꽃 열매 꼬투리 모사 상처 봉합 패치

제비꽃 열매 꼬투리 ‘지퍼링’ 동작 모사 조직 절제 소프트 기계

[연구결과]

Viola seed pod architecture shapes sequential, force-augmented pinching


Cheongsan Kim, Jihyun Won, Donghyeon Kim, Sohyun Jung, Ho-Young Kim, and Youbong Hyun

(Science, https://doi.org/10.1126/science.aed2953)

제비꽃은 열매가 터지면서 씨앗을 한꺼번에 방출하는 일반적인 폭발적 종자 산포 방식과 달리, 열매 꼬투리의 접힘 동작에서 발생하는 힘을 이용해 씨앗을 하나씩 튕겨 내보내는 독특한 번식 전략을 진화시켰다(그림 1).

이러한 종자 산포는 열매 꼬투리가 건조되는 과정에서 나타나는 ‘지퍼링(zippering)’ 동작에 의해 구현되며, 종자 확산 과정에서 높은 에너지 효율을 제공한다(그림 2).

제비꽃의 높은 종자 산포 효율은 매우 작고 단순한 구조의 열매 꼬투리만으로도 씨앗을 효과적으로 분산시킬 수 있게 하지만, 씨앗을 하나씩 선택적으로 방출하기 위해서는 정교한 힘 전달 메커니즘이 필요하다.

씨앗을 하나씩 꼬집어 쏘아내는 방식은 생각 외로 복잡한 기계적 과제를 요구한다.

서울대 현유봉-김호영교수 및 DGIST 정소현 교수 연구팀은 제비꽃 열매 꼬투리의 세포생물학적·기계공학적 구조를 분석한 결과, 제비꽃이 단순한 기하학적 원리를 활용해 종자 산포에 필요한 복잡한 힘 전달 과정을 구현하고 있음을 규명하였다.

제비꽃 열매 꼬투리는 수분 함량 변화에 따라 접힘 동작을 유도하는 액추에이터(actuator) 부위와, 접힘 과정에서 씨앗에 직접 힘을 전달하는 매우 얇은 막 구조로 구성되어 있다(그림 3).

김청산, 김동현, 원자현 연구원이 공동 제1저자로 참여한 본 연구팀은 실제 생체 시료와 이를 모사한 인공 소자의 거동을 비교·분석한 결과, 제비꽃 열매 꼬투리의 액추에이터 형상이 제한된 구조적 자원만으로도 최대의 접힘 힘을 생성할 수 있도록 최적화된 방향으로 진화해 왔음을 입증하였다(그림 4).

또한 열매 꼬투리 양 말단의 기하학적 조건과 형상 차이가 제비꽃 특유의 ‘지퍼링(zippering)’ 동작을 결정할 뿐만 아니라, 씨앗을 압박하는 막 구조에 ‘막 응력(membrane stress)’을 유도함으로써 종자 산포에 필요한 힘이 효과적으로 집중되도록 설계되어 있음을 밝혀냈다(그림 5).

특히 이러한 힘 집중 부위는 지퍼링 동작이 진행됨에 따라 점진적으로 이동하며, 씨앗을 하나씩 순차적으로 방출하는 제비꽃 고유의 종자 산포 방식을 구현하는 것으로 나타났다.

연구팀은 이번 연구를 통해 규명한 제비꽃 열매 꼬투리의 기계적 작동 원리를 바탕으로, 상처 봉합 및 종양 절제 등에 활용 가능한 차세대 소프트 로봇 개발 가능성도 제시하였다(그림 6).

이번 연구는 식물이 제한된 구조적 자원만으로도 정교한 운동 기능을 구현할 수 있는 체화된 물리적 지능(embodied physical intelligence)을 가지고 있음을 보여주는 사례로, 고효율 생체모방 공학 기술 개발에 새로운 통찰을 제공할 것으로 기대된다.

한편 이번 연구는 서경배과학재단, 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원사업 및 중견연구자지원사업, 선도연구센터(SRC) 식물가소성연구센터의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 성과는 세계적 권위의 학술지 Science에 6월 18일 게재되었다.

[그림설명]

그림1. 제비꽃 열매 꼬투리 접힘 동작에 의한 폭발적 종자 산포

그림2. 제비꽃 열매 꼬투리의 '지퍼링' 동작

그림3. 제비꽃 열매 꼬투리 2차원 횡단면 구조

그림4. 접힘 힘 전달을 위한 최적화 설계

그림5. '지퍼링' 동작에 수반되는 전달 힘 집중

그림6. 제비꽃 열매 꼬투리 '지퍼링' 동작의 응용