『우리의 상상은 현실이 된다』
EBS 과학 교양 시리즈〈비욘드〉
이 책은 EBS 과학 교양 시리즈〈비욘드〉이다. 카피는 〈미래를 조형할 새로운 기술의 지평〉이다.
요즘 연구 중인 미래 기술에 관해 알고 싶어서 읽었다.
7개 연구 분야에 관해 철학적, 인문학적 입장에서 소개하고 있다.
배터리, 자율주행, 웨어러블 로봇, 3D 프린팅, 레이저, 나노 로봇, 생물 모방 기술이다.
세상의 모든 것은 흩어진다. 이는 종말론 염세주의 사이비 종교의 교리가 아니다. 우주의 시공간을 관통하는 근본 원리 가운데 하나이다. 세상의 모든 에너지는 흩어진다. 모든 에너지는 흩어지고 생명은 늙고 자연은 마모된다. 이것은 거스를 수 없는 현상이다. 시간이 흐를수록 엔트로피는 증가한다. 열역학 제2 법칙 ‘엔트로피의 법칙’이다. ※entropy. 열량과 온도에 관계되는 물질계의 상태를 나타내는 열역학적 양. 열의이동과 더불어 유효하게 이용할 수 있는 에너지의 감소 정도나 무효에너지의 증가 정도를 나타내는 양.
전기가 인류의 풍요와 번영의 필수품이 된지 100년이 넘었다. 1882년 에디슨이 뉴욕과 런던에 세계 최초의 화력 발전소를 세우고 위스콘신에 처음 수력 발전소를 건설한 것을 기준으로 하면 140년이 되어간다. 세상의 모든 원자는 전자를 가지고 있다. 원자가 전자를 내놓거나 받아들이면 전기가 발생한다. 전기란 전자의 흐름이다. 이 원리를 이용해서 전기를 물질의 화학적 성질 안에 가둘 수 있다. 전기 에너지를 이용해 두 물질을 추후 발전 가능한 화학적 조성 상태로 만드는 방법이다. 이것을 배터리라고 한다.
먼저 개발된 배터리는 납-산 배터리다. 지금도 자동차에 사용하고 있다. 1980년 개발된 리튬-이온 배터리가 개발되었다. 리튬-이온 배터리는 노트북, 휴대전화, 전기자동차에 들어가 우리의 삶을 획기적으로 바꿨다. 리튬은 자연 상태에서 얻기 어려운 금속이다. 리튬은 바닷물, 공기에 녹아있다. 해수에 대량 포함된 나트륨은 리튬과 동일한 알칼리 금속이다. 화학적 성질이 리튬과 유사하다. 해수를 이용한 배터리 개발 연구가 진행되고 있다.
재생에너지는 태양열, 수력, 풍력, 조력, 지열 등 무한에 가깝게 공급되는 에너지를 말한다. 과학자들은 친환경 에너지를 이용해서 전기를 만들고 저장하는 기술을 개발하기 위해 연구 중이다. 미래에 엔트로피 없는 친환경 에너지가 지구에 존재하는 세상을 기대한다.
인간은 신체 능력의 발전을 통해 진화하는 게 아니라, 손에 들고 사용하는 것과 몸에 두르는 것을 개발하고 발전하며 진화하는 존재다. 옷은 체온을 조절하여 사람의 생명과 건강을 지켜준다. 인간이 새로운 환경에 적응하게 도와준 기술이 있다. 스쿠버다이빙 장비는 우리가 물속에서 숨을 쉬고 자연스럽게 움직이도록 해준다. 맨몸으로 잠시도 살아 있을 수 없는 우주에서 우주복의 도움으로 유영하고 우주망원경을 수리한다.
인류 최초의 웨어러블 로봇이 무릎 수술을 한 사람 재활을 돕고 하반신 마비가 온 사람들을 걷게 했다. 웨어러블 로봇 덕분에 원래라면 불가능할 치료가 가능해지고 하반신 마비가 풀리는 것은 아니다. 그 대신 웨어러블 로봇은 걸음이 불편하거나 걸을 수 없는 사람의 소망을 들어줄 수 있다. 장애를 가진 사람들의 소망은 특별 취급을 받는 게 아니라 남들과 똑같이 평범하게 사는 것이다.
내 마음대로 옷도 만들고 로봇도 만들고 신발도 맞출 수 있는 3D프린팅 기술. 미항공우주국에서는 우주인에게 3D 프린터로 피자를 제공하겠다는 계획을 갖고 있다. 3D 프린터로 음식을 출력하려면 식품 원료를 투입하고 원하는 모양으로 쌓아 올리면 된다. 가장 적합한 음식이 피자이다. 현재 다양한 원료로 다양한 메뉴를 만들려는 시도가 진행되고 있다.
우주정거장에서 3D프린팅 기술을 이용하여 필요한 부품을 조달할 수 있다면 보급품을 실은 로켓 우주선을 자주 발사하지 않아도 된다. 전자 부품을 출력하는 기술도 개발 중이다. 10년 안에 집적회로를 제외한 대부분의 전자 부품을 3D프린팅 할 수 있을 것이라는 전망이다.
2016년 중앙대학교병원 권정택 교수팀은 3D프린팅 두개골 이식 수술에 성공했다. 인공뼈의 소재로 순수 티타늄을 활용했다. 인공뼈보다 한 발 더 나간 분야가 3D 세포 프린팅이다. 줄기세포를 소재로 한다. 줄기세포는 인체의 다양한 세포로 분화할 수 있는 가능성을 지닌 세포다. 현재 줄기세포 치료 방법은 혈액 이식뿐이다. 세포 프린팅은 미래 기술에 해당한다. 줄기세포의 양분이 될 배지와 콜라겐 용액을 혼합하여 생물 잉크 소재를 만들 수 있다. 이를 3D프린터를 통해 얇은 실처럼 뽑아 가로세로 12mm, 두께 2mm 크기의 ‘간블록’을 만든다. 간블록은 손상된 간 조직에 붙일 수 있는 반창고에 해당한다. 간블록을 이식하면 각 브록의 세포들로 손상된 간 부위를 재생하는 일이 가능하다. 이미 동물실험을 통해 커다란 가능성을 확인받았다.
시간에 따라 변화하는 물품을 제작하는 3D프린팅 기술을 4D 프린팅 기술이라고 한다. 4D 프린팅 기술은 응용분야가 무궁무진하다. 중력이나 기압, 온도, 습도, 시간 등의 외부 조건에 따라 형태나 물성이 변하는 스마트 소재를 활용해 원하는 제품을 만든다. 주변 환경에 따라 모양이 바뀌는 장난감, 날씨에 맞춰 색상과 질감이 변하는 옷, 의료용 부목 및 관절, 자동차, 건축에 이르기 까지 다양한다.
레이저는 Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation의 머리 글자를 따온 단어다. ‘유도방출에 의한 광증폭’이다. 레이저는 몇 가지 특성이 있다. 첫째, 레이저는 직진한다. 둘째, 레이저는 에너지 밀도가 높다. 셋째, 레이저는 물질에 따라 한 가지 파장의 빛만 낸다. 넷째, 레이저는 결맞음이라 불리는 특징을 갖는다. 태양광이나 전등 불빛은 그 성질이 시시각각 제멋대로 변하지만 레이저는 언제나 똑같은 성질을 유지한다.
레이저는 자율주행 기술, 3차원 스캐닝 및 탐사, 우주통신 기술, 의료 기술, 핵융합 기술, 홀로그램 보안 기술과 데이터 저장 기술 등에 두루 적용된다. 3D프린팅 기술에도 레이저가 이용된다.
우리가 일상에서 사용하는 가장 작은 단위는 mm이다. mm의 1000분의 1이 마이크로미터, 1마이크로미터의 1000분의 1이 나노미터이다. 나노 단위의 입자를 활용하는 기술이 개발되었다. 1990년대 탄소 나노튜브를 만들 수 있는 그래핀 기술이 발견되었다.
1나노미터 크기의 로봇을 만드는 일은 두 가지 기술의 발전이 전제되어야 한다. 나노 로봇의 전자두뇌를 만드는 기술과 로봇 소재를 개발하는 기술이다. 나노 로봇의 전자두뇌 개발과 관련해 2006년 우리나라에서 획기적인 성과를 도출한 바 있다. 카이스트의 최양규 교수 연구실에서 3나노미터짜리 트랜지스터를 개발했다. 같은 원리를 응용해서 2016년 버클리 대학에서는 탄소 나노 튜브로 1나노미터짜리 트랜지스터를 만드는 데 성공했다.
DNA는 모든 생명체의 유전정보를 담고 있다. DNA를 자르고 이어 붙일 수 있는 나노 로봇의개발은 인간이 생명 그 자체를 조작할 수 있게 된다는 것이다. 우리가 10나노미터 이하 크기의 로봇을 만든다면 DNA 세계에 개입할 수 있다.
인간의 지식과 기술이 발전함에 따라 생물의 다양한 형태의 기능을 모방하려는 시도 또한 늘어나고 있다. 생물의 생김새와 행동과 기능을 모방해 첨단 기술로 탈바꿈시키는 이 분과를 생물 모방이라고 한다. 유타주립대학교 연구진은 염소의 유방 세포 안에 거미줄 단백질을 합성하는 유전자를 이식해 염소젖에서 거미줄 단백질을 분비하도록 만들었다. 거미염소의 젖에는 거미줄 성분인 드래그라인 실크 단백질이 있다. 염소젖 1리터에서 거미 실크 단백질 분말을 2그램 정도 얻을 수 있다. 이 거미 실크 단백질을 녹인 요액을 세밀한 바늘을 통해 물속에 분사하면 거미줄 같은 가느다란 실을 생산할 수 있다. 이 실은 군복, 의료용에 사용한다.
각종 연구에 매진하며 좀 더 나은 지구 환경을 만들기 위해 노력하는 과학자들에게 존경과 응원을 보낸다. 눈부시게 발전하는 새로운 과학 지식을 조금 접했다. 아는 게 병이라지만, 알고 있는 것과 모르는 것은 큰 차이다.
책 소개
『우리의 상상은 현실이 된다』 김명철 지음. 2020.12.28. 한국교육방송공사(EBS). 295쪽. 18,000원.
서울대학교 서양사학과, 심리학과 졸업, 같은 대학원에서 심리학 석사와 박사 학위를 받았다. 저서, 『여행의 심리학』 등.
