화학적 명령에 의해 수축, 이완하는 근섬유, 그리고 인공근육




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아시는 대로 고무줄은 탄성이 있어 늘어나고 줄어 들지만, 스스로 움직이지는 못합니다.


반면 단백질로 이루어진 근육은 스스로 움직이는데요.


스스로 움직인다라....


과연 근육은 메커즘을 가졌길래 혼자서 늘어났다 줄어 들었다 하는 걸까요.




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비밀은 근섬유속의 '미오신'과 '액틴'이라는 단백질에 있습니다.


두 단백질은 긴 고분자 화합물의 일종인데,


가늘고 긴 미오신 단백질 막대기 주변을 액틴이 사슬처럼 엮고 있지요.


두 단백질은 서로 붙어 있지 않아 ,


마치 '피스톤' 처럼 미끄러지면서 늘어났다 줄어났다를 하게 됩니다.



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조금 자세히 내부를 살펴볼께요.


근세포 속에 칼슘 이온의 농도가 늘어나면  칼슘과 액틴이 결합을 하는데요.


액틴은 축회전 운동을 하는 긴 나선 형상을 가지고 있습니다.


나선 사이에 숨어있던 칼슘 결합기는 칼슘 이온의 당기는 힘에 의해 회전을 하게 되는데요.


이때 액틴 내부의 미오신 결합기가 


미오신 단백질쪽으로 노출되면서, 미오신 헤드와 '합체'가 이루어집니다.




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합체가 된 미오신 헤드는, 머리를 까딱하면서 액틴을 축방향으로 밀어주는데요.


액틴의 내부의 ATP가 


인산염을 분리하고 ADP로 변하면서 배출된 '에너지'가 주 동력이 됩니다.


인산염이 배출된 반대방향으로 움직이는 걸 보면, 


반작용에 의한 운동같기도 한데, 이건 확실치 않으니 패스할께요.




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아까 액틴이 나선축 회전을 한다고 말씀드렸죠?


미오신이 액틴을 밀어내면 이동과 동시에 축회전이 일어나고, 


칼슘 이온과의 결합 전 상태로 돌아갑니다.


떨어져 나간 미오신 헤드는 


다시 원래자리로 이동하면서 다음 움직임을 준비하게 되고요.




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복잡하지요? 이걸 간단히 설명하면,



칼슘의 자극에 의해, 근섬유 내부에 있는 두 쌍의 단백질이 '피스톤 펌핑'을 해서 수축한다



이걸 '활주 필라멘트 이론'이라고 부르고 


근수축의 거의 '정설'로 받아들여지고 있다는군요.


전자현미경이 발견되면서 미오신과 액틴의 구조를 눈으로 확인할 수 있게 되었던 탓입니다.



histology.med.yale.edu



위키백과 >> 근수축 (한글)




근수축이라는게 찰나에 일어난다는 걸 떠올린다면, 


역시 생명의 신비는 놀랍지 않을 수 없는데요.


자, 근육의 수축, 이완의 원리를 알았으니 이걸 써먹어야지요. 


네, 바로 인공근육의 등장입니다.



hackedgadgets.com




외부의 자극에 의해 구조체가 수축과 이완을 한다라는 점에 착용해서,


종류도 많습니다. 


전기장 수축 방식, 공압 수축 방식, 열 수축 방식, 형상기억 합금 방식, 


그리고 생체와 가장 유사한 이온 수축 방식의 인공근육이 연구 중에 있습니다.



www.instructables.com




가장 먼저 등장했던 건, 1950년 등장한 공압 수축 방식인데, 


용어가 어렵지 원리는 쉽습니다. 


풍선처럼 바람을 넣었다 빼면서 수축과 이완을 시키는 근육입니다. 


이건 일반 유체 액추에이터의 개량형(?) 정도 보면 될 듯 하군요.



유튜브 / High-Power Hydraulic Artificial Muscle for Tough Robots




다만, 공기가 아닌 비압축성 유체를 사용한다 하더라고, 


'추가 구조물'인 압력 제어 장비와 펌프의 배치가 만만치 않은 방식입니다.








그래서 최근 집중적으로 연구되는 건 전기장 수축 방식입니다. 


Electroactive Polymers, 줄여서 EAPS라 불리는 특수 폴리머인데요.


합성고무와 같은 고분자 중합체에 전기자극을 가하면


순간 내부 분자구조가 변형되면서 수축하는 특성을 이용한 인공근육입니다.



유튜브 / Elastomeric Escapisms - Electroactive Polymers




부가장비가 많이 필요한 공압 방식에 비해한다면,


전기를 사용하는 이 녀석은 구성도 단순합니다.


최대 380% 까지 변형되면서도 튼튼한 강도를 유지할 수 있어서 


향후 개발 전망이 밝은 편이라고 알려져 있지요.





EAP중 '콜라겐 필라멘트'의 경우는 산성 용액에 반응하는 관계로, 


생세조직에의 접목도 시도 되고 있다고 하고요.



Phys.org



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한 발짝 더 나아가 


고분자 화합물에 전기자극을 가해 분자구조를 변형시키는 인공근육의 개발이 시도 중이고,


최근에는 나노기술이 발달하면서 


고분자 화합물이 아닌 탄소나노튜브을 소재로한 인공근육도 검토 중에 있습니다.






아얘 값이 저렴한 나일론을 소재로 사용 하려는 시도 있어서, 


양산만 된다면, 각국에서 연구 중인 강화외골격 (엑소수트)에 적용될 가능성도 무척 높습니다.




russian.rt.com



www.navytimes.com




현재 시연에 성공한 1세대 엑소수트들은 


모터를 사용한 엑추에이터, 그리고 여기에 에너지를 공급할 외장 배터리를 달고 있어


입는다는 느낌 보다는, 타거나 걸친다는 느낌이 강한 편인데요.


만약, 소형화 경량화 된 인공근육이 만들어진다면, 


마치 만화 '간츠' 처럼 입고 벗는 방식의 간편한 엑소수트가 등장할 수 있게 되는 겁니다.




아이언맨 MK.50 / 영화 '인피니티워' 공식 예고편




흠.... '어벤저스 인피니티 워'를 보면, '아이언맨' Mk.50 나노수트가 등장 하는데요.


보면서 '에이 아무리 영화라지만 너무 나갔네' 싶었는데,


이젠 그 말을 물려야 할 것 같습니다.


'아크리엑터'에서 나오는 나오입자에 인공근육용 고분자 화합물이 섞여있다면, 


어쩌면 가까운 미래에 충분히 실현 가능하지 않을까, 하는 쪽으로 생각이 바뀌었어요.ㅋ




techcrunch.com




어릴 때 에일리언 2에 나온 파워로더를 보고 신기하게만 생각했던 시절이 있었는데, 


입는 강화 외골격이 현실이 된다니요. 


정말 과학 기술의 진화에 끝이 보이지 않는 느낌입니다;;;




esa.int







Posted by 위저드아이언 wizard_IRON