Active embracement enables autonomous tweezing in active star polymers
이 연구는 활성 스타 폴리머가 스스로 움직이는 팔이 입체적 반발력을 극복하여 자율적으로 붕괴하고 주변 입자를 포획하는 '활성 포용(active embracement)'이라 불리는 비평형 현상을 나타내며, 이는 효과적으로 표적 화물 조작을 위한 미세 집게 역할을 수행함을 밝히고 있다.
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생명체는 스스로 형태와 기능을 변화시키는 놀라운 능력을 갖추고 있다. 세포는 내부 골격을 재구성하여 움직일 수 있고, 단백질은 특정 과업을 수행하기 위해 정교한 모양으로 스스로 접힐 수 있는데, 이 모든 과정은 외부의 손길 없이 이루어진다. 과학자들은 이러한 자기 주도적 행동을 합성 재료에서 재현하고자 오랫동안 노력해 왔으며, 이를 통해 스스로의 내부 에너지만을 사용하여 접히거나, 감싸거나, 물체를 잡을 수 있는 소프트 머신을 구축하기를 희망해 왔다. 연구자들은 에너지가 가해졌을 때 부풀어 오르거나, 늘어나거나, 꿈틀거리는 재료를 만드는 데는 성공했지만, 이웃한 물체를 감싸 쥐는 것과 같은 구체적인 기계적 과업을 수행하게 하는 것은 여전히 어려운 과제로 남아 있었다. 대부분의 활성 재료는 단순히 주변을 움직이거나 전체적인 크기를 변화시킬 뿐, 환경과 목표 지향적으로 상호작용하는 데 필요한 조율된 제어 능력이 부족하다.
한 연구팀은 이제 특수한 형태의 별 모양 구조를 사용하여 이러한 종류의 자율적 움켜쥐기를 달성할 수 있는 새로운 방법을 발견했다. 그들은 '활성 별 고분자(active star polymers)'를 제작하고 연구했는데, 이는 미세한 분자가 아니라 육안으로 관찰 가능한 센티미터 크기의 커다란 입자들로 구성되어 있다. 각 구조는 중심부에 위치한 수동적인 핵과 그 바깥쪽으로 뻗어 나온 여러 개의 팔로 이루어져 있다. 팔은 진동하는 표면 위에 놓였을 때 스스로 움직이도록 설계된 작은 입자들로 만들어졌다. 연구진은 물리적 실험과 컴퓨터 시뮬레이션을 결합하여, 이 활성 팔들이 중심 핵과 서로를 향해 자발적으로 감싸며 구조를 단단한 공 모양으로 응축시킨다는 사실을 발견했다. 그들은 이 현상을 '활성 포옹(active embracement)'이라 부르며, 이를 통해 별 고분자가 압축된 형태로 붕괴하거나, 다른 별들과 뭉치거나, 심지어 근처에 떠다니는 느슨한 입자들을 붙잡아 마치 자율적인 핀셋처럼 기능할 수 있게 된다.
연구진은 맞춤형 입자를 만들기 위해 3D 프린팅을 사용하여 이 별 고분자들을 제작했다. 중심 핵은 물속의 먼지 입자처럼 무작위로 움직이는 수동적인 원기둥이다. 이 핵에는 여러 개의 팔이 붙어 있으며, 각 팔은 활성 입자들의 사슬로 구성된다. 이 활성 입자들은 특정 각도로 기울어진 7개의 작은 다리를 갖추고 있다. 전체 시스템이 초당 100회의 빈도로 수직 진동하는 판 위에 놓이면, 기울어진 다리들로 인해 활성 입자들이 특정 방향으로 점프하며 이동하게 되어 지속적인 자기 추진 운동을 하게 된다. 팔들은 핵 및 서로의 팔과 강직한 연결체로 연결되어 있어 자유롭게 회전할 수 있지만, 입자 간의 거리는 일정하게 유지된다. 연구진은 원형 경기장에서 이 구조물들을 테스트하며, 팔의 개수와 팔의 길이에 따라 어떻게 행동하는지 관찰했다.
자기 추진 운동이 없는 상태에서 별 고분자의 팔은 서로 같은 공간을 차지할 수 없다는 사실 때문에 서로 밀려나며 단순히 퍼져 나갈 것이다. 그러나 팔이 활성화되면 행동이 극적으로 변한다. 팔의 끊임없는 움직임은 팔들이 서로 충돌하게 만든다. 입자들이 접촉할 때 마찰을 일으키는 재료로 만들어졌기 때문에, 이러한 충돌은 단순히 튕겨 나가는 것이 아니라 마찰이 움직임을 늦추고 서로 달라붙게 만든다. 이는 팔들이 중심 핵과 서로를 감싸며 전체 구조를 단단하고 구형인 형태로 붕괴시키는 상태로 이어진다. 연구진은 물리적 실험과 컴퓨터 모델 모두에서 이러한 자가 붕괴 행동을 관찰했으며, 이것이 별의 팔이 몇 개인지 또는 팔의 길이가 얼마인지와 상관없이 일어난다는 점에 주목했다.
이러한 감싸고 달라붙는 메커니즘은 단일 별 고분자가 스스로와 상호작용하는 것에 국한되지 않는다. 여러 개의 활성 별 고분자가 함께 놓이면, 이들은 수동적인 물체처럼 서로를 밀어내지 않는다. 대신, 이들의 활성 팔이 이웃한 별의 팔을 향해 뻗어 나와 포옹한다. 입자 간의 접촉에서 발생하는 마찰은 서로 다른 별들의 상대적인 움직임을 늦추어, 이들이 무리를 지어 장기간 밀접하게 접촉하도록 만든다. 컴퓨터 시뮬레이션은 이러한 클러스터링(군집 형성)이 활성 운동과 입자 사이의 마찰의 직접적인 결과임을 확인해주었다. 만약 마찰이 없다면 별들은 서로 튕겨 나가며 분리되어 있을 것이다.
이 행동의 가장 놀라운 시연은 활성 별 고분자가 수동적인 물체를 포착하고 운반하는 능력이다. 연구진이 경기장에 느슨하게 움직이지 않는 입자들을 활성 별 고분자와 함께 배치했을 때, 별의 팔은 이 입자들을 자발적으로 감싸 안아 붕괴된 구조 안에 가두었다. 활성 별은 수동적인 입자들을 효과적으로 "움켜쥐고" 그것들이 움직임에 따라 함께 운반했다. 반면, 자기 추진 운동이 없는 수동적인 별 고분자는 아무것도 포착할 수 없었으며, 그 팔은 단순히 느슨한 입자들을 밀어낼 뿐이었다. 연구진은 다양한 밀도에서 포착되는 입자의 수를 측정하였으며, 활성 별이 수동적인 별보다 훨씬 더 많은 입자를 포착하여 때로는 경기장에 있는 가용 입자의 거의 절반을 가두기도 한다는 것을 발견했다.
이 연구는 이러한 행동의 핵심이 자기 추진과 마찰의 결합에 있다는 점을 강조한다. 활성 운동은 팔이 주변 환경을 탐색하고 충돌하도록 유도하며, 마찰은 일단 접촉하면 서로 튕겨 나가는 대신 계속 붙어 있게 만든다. 이는 구조물이 끊임없이 움직이면서도 안정적인 붕괴 형태를 유지하는 독특한 물질 상태를 만들어낸다. 연구진은 이 '활성 포옹'이 외부의 제어 없이 기계적 과업을 수행할 수 있는 스마트 재료를 설계하기 위한 청사진이 될 수 있다고 제안한다. 이러한 구조의 설계를 미세하게 조정함으로써, 생명체에서 발견되는 적응 능력을 물리적 원리에 기반하여 모방하여, 화물을 자율적으로 모으거나, 스스로 조립하거나, 복잡한 환경을 항해할 수 있는 소프트 로봇이나 재료를 만들 수 있을 것이다.
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