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제비 둥지가 100배 하중 견디는 이유…3D 프린팅 건축에 비결

중앙일보 2021.01.12 10:08
지난해 봄 강원 춘천시의 한 건물 처마 아래서 이소를 앞둔 새끼 제비들이 비좁은 둥지에 모여 어미를 기다리고 있다. [연합뉴스]

지난해 봄 강원 춘천시의 한 건물 처마 아래서 이소를 앞둔 새끼 제비들이 비좁은 둥지에 모여 어미를 기다리고 있다. [연합뉴스]

매년 봄 한반도를 찾는 제비는 뛰어난 건축가다. 민가 처마 밑 직벽에 진흙으로 둥지를 만들고, 알을 낳아 새끼를 기른다. 제비집은 제비 한 마리 무게의 100배 이상을 견딜 만큼 견고하다. 그 비결은 21세기 첨단 건축기법인 3차원(3D) 프린팅 건축에도 활용될 수 있다.  
 
서울대학교는 기계공학부 김호영 교수 연구팀과 서강대 기계공학과, 대구경북과학기술원(DGIST)의 공동 연구 결과 제비 둥지가 지닌 과학적 비밀을 알아냈다고 12일 밝혔다.  
 
여름 철새인 제비는 매해 봄이 되면 처마 밑 흙 둥지에 돌아와 살림을 튼다. 이 둥지는 제비가 훌륭한 건축가라는 사실을 보여주지만 사람들은 그 사실을 종종 잊는다. 공학적 관점에서 제비의 둥지는 가장 쉽게 얻을 수 있는 재료로 최적의 설계 및 시공을 해낸 하나의 걸작이다. 제비 둥지와 같이 수직 벽에 안정적으로 붙어있는 집을 짓는 새는 전체 조류종의 5% 미만으로 추정된다. 
 
제비집과 똑같은 비율로 3D 프린팅한 인공 둥지. [사진 서울대]

제비집과 똑같은 비율로 3D 프린팅한 인공 둥지. [사진 서울대]

둥지가 벽에 붙어 있으려면 무게에 의해 아래로 잡아당겨지는 힘을 이겨야 하는데, 진흙은 원래 당기는 힘에 매우 취약하다. 공동 연구팀은 제비의 타액과 흙 알갱이가 섞인 후 굳으면 타액에 포함된 고분자 물질이 흙 알갱이를 서로 붙여주는 접착제 역할을 해 당기는 힘을 매우 잘 견딘다는 것을 밝혀냈다. 또한, 제비는 둥지에서 힘을 가장 많이 받는 부분을 특별히 보강하여 집을 짓는다는 것을 밝혀냈다. 이렇게 만들어진 둥지는 제비 무게 100배 이상의 하중을 견뎌낸다.
  
제비의 집 짓는 방식은 3D 프린팅과도 유사하다. 3D 프린팅 건축은 최근 재난 현장과 같은 곳에 빠르게 건축물을 짓는 기술로 각광받고 있다. 제비는 번식을 위해 돌아왔을 때 둥지를 재사용하는 것이 여의치 않으면 빠르게 집을 지어야 한다. 3D 프린팅과 유사하게 제비는 재료(진흙)를 한 층씩 쌓아 올려 빠르게 둥지를 만들어 낸다. 그 설계도는 제비의 본능이다. 제비는 약 1000만년 전부터 둥지를 지어온 것으로 추정된다.  
 
진화론의 창시자 다윈은 『종의 기원』에서 “진흙과 타액을 섞어 집을 짓는 제비의 종들이 자연 선택에 의해 차츰 타액만으로 집을 짓는 종으로 진화했을 수 있다”라고 추측하며 제비의 집 짓는 본능에 대해 놀라움을 표하였다. 이번에 연구팀이 밝혀낸 제비 둥지의 비밀은 160년 전 다윈이 가졌던 놀라움과 의문에 대한 공학적 해답을 제시한다.
 
연구책임자 김호영 교수는 “제비의 집 짓는 기술을 모사한 3D 프린팅 기술, 수학적 모델링, 그리고 생물학과의 융합을 통해 우리에게 친숙한 제비 둥지가 가진 과학적 비밀을 밝혀냈다”라며, “이 연구를 통해 환경친화적 물질을 이용한 생체모사 3D 프린팅 기술의 발전을 앞당길 수 있을 것”이라 말했다.
 
이번 연구 성과는 세계적 국제학술지 미국립과학원회보(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United State of America)에 12일 게재됐다.  
 
최준호 과학ㆍ미래 전문기자 joonho@joongang.co.kr
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최준호 최준호 기자