과학자들은 마치 살아있는 것처럼 움직이는 자석 랜턴을 만들었습니다.

기본적인 등불은 폴리머 시트를 마름모꼴 평행사변형 모양으로 자른 다음, 각 시트의 중앙에 평행선을 여러 줄 자릅니다. 이렇게 하면 시트의 상단과 하단에 단단한 재료 스트립으로 연결된 동일한 리본 줄이 만들어집니다. 상단과 하단에 있는 단단한 스트립의 왼쪽과 오른쪽 끝을 연결하면 폴리머 시트가 대략 구형의 중국식 등불과 유사한 3차원 모양을 형성합니다. 출처: Yaoye Hong, NC State University

연구진은 압축하거나 비틀면 12개 이상의 곡선형 3차원 형태로 빠르게 변형되는 "중국식 등불" 모양의 고분자 구조를 개발했습니다. 이러한 변형은 자기장을 이용하여 원격으로 작동 및 제어할 수 있어 다양한 실용 가능성을 열어줍니다.

연구팀은 이 등불을 만들기 위해 먼저 얇은 고분자 시트를 마름모꼴 평행사변형으로 자른 후, 시트 중앙을 균등하게 간격을 두고 여러 선을 그어 위아래의 단단한 재료 스트립으로 연결된 평행한 리본을 형성했습니다. 이 스트립의 끝부분과 아래 끝부분을 연결하면 시트는 자연스럽게 둥근 등불 모양으로 접힙니다.

"이 기본 형태는 그 자체로 쌍안정합니다."라고 이 연구 논문의 교신저자이자 노스캐롤라이나 주립대학교 기계항공우주공학과 교수인 지에 인은 말합니다. "즉, 두 가지 안정적인 형태를 가지고 있습니다. 물론 랜턴 모양일 때는 안정적입니다. 하지만 구조물을 압축하고 위에서 아래로 누르면 천천히 변형되기 시작하여 임계점에 도달하면 팽이와 유사한 두 번째 안정적인 형태로 튕겨 나갑니다. 팽이 모양에서 구조물은 압축에 사용된 모든 에너지를 저장하고 있습니다. 따라서 구조물을 위로 당기기 시작하면 모든 에너지가 한꺼번에 방출되어 매우 빠르게 랜턴 모양으로 되돌아가는 지점에 도달하게 됩니다."

"모양을 비틀거나, 랜턴의 상단이나 하단에 있는 단단한 띠를 접거나 접는 등, 또는 이들을 조합하여 더 많은 모양을 만들 수 있다는 것을 발견했습니다."라고 이 논문의 제1저자이자 노스캐롤라이나 주립대학교 박사과정생 출신이며 현재 펜실베이니아 대학교 박사후 연구원인 야오예 홍은 말합니다. "이러한 각 변형은 다중안정성을 지닙니다. 어떤 변형은 두 가지 안정 상태 사이를 왔다 갔다 할 수 있습니다. 어떤 변형은 구조를 압축하는지, 비틀는지, 또는 압축과 비틀기를 동시에 하는지에 따라 네 가지 안정 상태를 갖습니다."

연구진은 또한 얇은 자기 필름을 바닥 스트립에 부착하여 랜턴에 자기 제어 기능을 부여했습니다. 이를 통해 자기장을 이용하여 구조물을 원격으로 비틀거나 압축할 수 있었습니다. 연구진은 이 설계의 여러 가지 활용 가능성을 시연했는데, 여기에는 물고기를 해치지 않고 잡고 놓아줄 수 있는 부드러운 자기 집게, 수중에서 열리고 닫히는 유량 제어 필터, 그리고 갑자기 위로 뻗어 접힌 튜브를 다시 여는 소형 형태 등이 포함됩니다. 실험 영상은 본 기사 아래에서 확인할 수 있습니다.

연구팀은 랜턴의 거동을 더 잘 이해하고 예측하기 위해 각 각도의 기하학적 구조가 최종 형태와 각 안정된 구조에 저장되는 탄성 에너지에 어떤 영향을 미치는지 보여주는 수학적 모델도 개발했습니다.

"이 모델을 사용하면 만들고 싶은 모양을 프로그래밍하고, 그 모양이 얼마나 안정적인지, 그리고 저장된 위치 에너지가 운동 에너지로 전환되었을 때 얼마나 강력해질 수 있는지를 알 수 있습니다."라고 홍은 말합니다. "이 모든 것은 원하는 용도로 활용할 수 있는 모양을 만드는 데 필수적입니다."

"앞으로 이 랜턴 유닛은 2D 및 3D 구조로 조립되어 형상 변형 기계식 메타물질 및 로봇 공학 분야의 광범위한 응용 분야에 활용될 수 있을 것입니다."라고 Yin은 말했습니다. "저희는 이 부분에 대해 계속 연구할 것입니다."

"저장된 탄성 에너지를 통한 독립형 리본 클러스터 메타 유닛의 재프로그램 가능한 스냅 형태 발생(Reprogrammable snapping morphogenesis in freestanding ribbon-cluster meta-units via saved elastic energy)"이라는 제목의 논문이 10월 10일 Nature Materials 에 게재되었습니다 . 이 논문은 노스캐롤라이나 주립대 박사과정생인 카이지 저우(Caizhi Zhou)와 하이타오 칭(Haitao Qing), 그리고 노스캐롤라이나 주립대 박사과정생 출신으로 현재 펜실베이니아대 박사후연구원인 잉딩 치(Yinding Chi)가 공동 집필했습니다.

본 연구는 미국 국립과학재단의 보조금 2005374, 2369274, 2445551을 받아 수행되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/10/251010091546.htm