과학자들이 이미지를 가릴 수 있고 형태를 바꿀 수 있는 스마트 인공 피부를 개발했습니다.

연구팀은 새로운 인쇄 방식을 이용해 모나리자 사진을 '스마트 스킨' 소재에 인코딩했습니다(왼쪽). 처음에는 소재 속에 숨겨진 것처럼 보이는 이 사진은 늘리거나, 열을 가하거나, 액체에 노출시키거나, 소재의 형태를 2차원에서 3차원으로 변형시키면 드러납니다(오른쪽). 사진 제공: 홍타오 썬

합성 소재는 과학, 공학, 산업 전반에 걸쳐 널리 사용되지만, 대부분은 제한된 범위의 기능만 수행하도록 설계되었습니다. 펜실베이니아 주립대학교의 한 연구팀은 이러한 한계를 극복하고자 했습니다. 산업 및 제조 공학(IME) 조교수인 홍타오 썬(Hongtao Sun) 교수가 이끄는 연구팀은 다기능 "스마트 합성 피부"를 제작할 수 있는 새로운 제조 기술을 개발했습니다. 이 적응형 소재는 정보를 숨기거나 드러내는 기능, 적응형 위장, 소프트 로봇 시스템 지원 등 다양한 기능을 수행하도록 프로그래밍할 수 있습니다.

연구진은 이러한 새로운 접근 방식을 통해 부드럽고 수분이 풍부한 소재인 하이드로겔로 프로그래밍 가능한 스마트 피부를 개발했습니다. 고정된 특성을 가진 기존의 합성 소재와 달리, 이 스마트 피부는 다양한 방식으로 반응하도록 조절할 수 있습니다. 열, 용제 또는 물리적 스트레스와 같은 외부 자극에 노출될 때 외형, 기계적 특성, 표면 질감 및 형태 변화 능력 등을 모두 조절할 수 있습니다.

이번 연구 결과는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 에 게재되었으며, 해당 학술지의 편집자 추천 연구(Editors' Highlights)로도 선정되었습니다.

문어 피부와 생명 시스템에서 영감을 받았습니다.

이 프로젝트의 책임 연구자인 썬은 이 아이디어가 문어와 같은 두족류에서 영감을 받았다고 밝혔습니다. 문어는 피부의 모양과 질감을 빠르게 바꿀 수 있는데, 이러한 변화를 통해 주변 환경에 녹아들거나 서로 소통합니다.

"두족류는 복잡한 근육과 신경계를 이용하여 피부의 모양과 질감을 역동적으로 조절합니다."라고 썬 교수는 말했습니다. "이러한 연체 동물에서 영감을 받아, 합성 연질 소재로 그 아이디어를 구현하는 4D 프린팅 시스템을 개발했습니다."

썬 교수는 펜실베이니아 주립대학교의 생의학 공학, 재료 과학 및 공학, 재료 연구소와도 연관이 있습니다. 그는 출력된 물체가 정적인 것이 아니라 환경 조건에 따라 능동적으로 변화할 수 있기 때문에 이 과정을 4D 프린팅이라고 설명했습니다.

디지털 지침을 재료에 인쇄하기

이러한 적응성을 구현하기 위해 연구팀은 하프톤 인코딩 인쇄라는 방식을 사용했습니다. 이 기술은 이미지 또는 질감 데이터를 1과 0의 이진수로 변환하여 해당 정보를 재료에 직접 삽입하는 방식입니다. 이는 신문이나 사진에서 점 패턴을 사용하여 이미지를 만드는 방식과 유사합니다.

연구진은 하이드로젤 내에 이러한 디지털 패턴을 인코딩함으로써 스마트 피부가 다양한 자극에 어떻게 반응할지 프로그래밍할 수 있습니다. 인쇄된 패턴은 소재의 각 영역이 어떻게 반응하는지를 결정합니다. 온도 변화, 액체 또는 기계적 힘에 노출될 때 어떤 영역은 다른 영역보다 더 많이 팽창하거나 수축하거나 부드러워질 수 있습니다. 이러한 패턴을 신중하게 설계함으로써 연구팀은 소재의 전반적인 특성을 제어할 수 있습니다.

"간단히 말해서, 우리는 소재에 지침을 인쇄하는 겁니다."라고 썬은 설명했다. "그 지침은 주변 환경이 변할 때 피부가 어떻게 반응해야 하는지를 알려줍니다."

필요에 따라 이미지를 숨기거나 표시합니다.

가장 눈길을 끈 시연 중 하나는 소재가 시각 정보를 숨기거나 드러내는 능력에 관한 것이었습니다. 의료정보공학 박사 과정생이자 논문의 제1저자인 하오칭 양은 이러한 기능이 스마트 피부의 잠재력을 보여준다고 말했습니다.

이 효과를 입증하기 위해 연구팀은 모나리자 이미지를 하이드로젤 필름에 인코딩했습니다. 에탄올로 세척했을 때 필름은 투명해졌고 이미지가 보이지 않았습니다. 숨겨진 이미지는 필름을 얼음물에 넣거나 서서히 가열한 후에야 선명하게 나타났습니다.

양 교수는 모나리자는 단지 예시로 사용되었을 뿐이라고 언급했습니다. 이 인쇄 기술을 사용하면 사실상 어떤 이미지든 하이드로젤에 새겨 넣을 수 있습니다.

양 교수는 "이러한 특성은 표면이 주변 환경과 조화를 이루는 위장이나, 메시지가 숨겨지고 특정 조건에서만 드러나는 정보 암호화에 활용될 수 있다"고 말했습니다.

연구진은 또한 소재를 살짝 늘린 후 디지털 이미지 상관 분석을 통해 변형 양상을 분석함으로써 숨겨진 패턴을 감지할 수 있음을 보여주었습니다. 이는 시각적인 정보뿐 아니라 기계적 상호작용을 통해서도 정보를 파악할 수 있다는 것을 의미하며, 보안 수준을 한층 더 높여줍니다.

여러 겹의 레이어 없이 형태 변환

이 스마트 스킨은 놀라운 유연성도 보여주었습니다. 썬 교수에 따르면, 이 소재는 평평한 판 형태에서 복잡한 생체 모방 형태로 쉽게 변형되며, 표면 질감 또한 세밀하게 표현할 수 있습니다. 다른 많은 형태 변형 소재와 달리, 이러한 변형에는 여러 겹의 층이나 서로 다른 물질이 필요하지 않습니다.

대신, 형태와 질감의 변화는 단일 시트 내에 디지털 방식으로 인쇄된 하프톤 패턴에 의해 전적으로 제어됩니다. 이를 통해 이 소재는 두족류 피부에서 볼 수 있는 것과 유사한 효과를 재현할 수 있습니다.

이러한 역량을 바탕으로 연구팀은 여러 기능을 함께 작동하도록 프로그래밍할 수 있음을 보여주었습니다. 하프톤 패턴을 세심하게 설계하여 모나리자 이미지를 평면 필름에 인코딩했고, 이 필름은 나중에 3차원 형태로 변형되었습니다. 필름이 돔 모양으로 휘어지면서 숨겨진 이미지가 서서히 드러나는 것을 통해, 하나의 재료 내에서 형태와 시각적 외관의 변화를 조화롭게 구현할 수 있음을 보여주었습니다.

"두족류가 몸의 형태와 피부 무늬를 조화롭게 조절하는 방식과 유사하게, 합성 스마트 피부는 하나의 부드러운 소재 안에서 외형과 변형 방식을 동시에 제어할 수 있습니다."라고 썬 교수는 말했습니다.

4D 프린팅 하이드로젤의 잠재력 확장

썬 교수는 이번 연구가 이전에 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 에 발표된 4D 프린팅 스마트 하이드로젤 연구를 기반으로 한다고 밝혔습니다 . 이전 연구에서는 기계적 특성과 평면에서 3차원 형태로의 프로그래밍 가능한 변형을 결합하는 데 초점을 맞췄습니다. 이번 연구에서는 하프톤 인코딩 4D 프린팅 기술을 활용하여 단일 하이드로젤 필름에 더 많은 기능을 통합함으로써 연구 범위를 확장했습니다.

향후 연구진은 하나의 적응형 소재 내에서 여러 기능을 정밀하게 디지털 인코딩할 수 있는 확장 가능하고 다재다능한 플랫폼을 개발하는 것을 목표로 하고 있습니다.

"첨단 제조, 지능형 소재 및 역학이 교차하는 이 학제 간 연구는 자극 반응 시스템, 생체 모방 공학, 고급 암호화 기술, 생체 의료 기기 등에 광범위한 영향을 미치는 새로운 기회를 열어줍니다."라고 썬 교수는 말했습니다.

이번 연구에는 펜실베이니아 주립대학교의 공동 저자인 의료정보공학 박사 과정생 하오티안 리와 주첸 장, 그리고 생의학 공학 강사인 텅샤오 류도 참여했습니다. 조지아 공과대학교 기계공학과 교수인 H. 제리 치 또한 이 프로젝트에 협력했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2026/02/260206034836.htm