3D 프린팅을 넘어 진화하는 합성 생물학 기술 4D 프린팅

3D 프린팅을 넘어 진화하는 합성 생물학 기술 4D 프린팅

 

스스로 변형되는 물체를 만드는 기술

3D 프린팅 제작 기술로 만든 물체들은 대부분 고정된 형태와 구조를 유지합니다. 하지만 3D 프린팅 기술에 합성 생물학 기술이 결합되면 온도, 수분, 바람, 압력 같은 외부 자극이나 환경에 따라 스스로 변형되는 물체를 만들 수 있는데, 이를 4D 프린팅이라고 합니다.

4D 프린팅의 결과물은 일정한 온도의 물속에서 스스로 구부러지거나 조립되거나 모양이 변합니다.

4D 프린팅 기술은 2013년에 미국 MIT 자가조립연구소 스카일라 티비츠(Skylar Tibbits) 교수의 4D 프린팅의 출현(The emergence 4D printing)이라는 테드 강연을 통해 처음 소개된 개념입니다.

4D 프린팅이란 자기 조립(Self-assembly), 자기 복제(Self-replication), 자기 변환(Self-transformation) 이 가능한 존재를 만드는 작업입니다. 

합성 생물학이 열고 있는 새로운 세계입니다. 자기 변환은 어떤 조건에서 어떤 모양으로 변환할지를 결정하는 과정입니다. 3D 프린팅이 완성된 입체 물건을 만들어 준다면 4D 프린팅은 변신 장난감 같은 물체를 만들어줍니다. 사람이 개입하지 않아도 가열, 진동, 중력, 공기 등 다양한 환경에 적응하여 스스로 자기 조립과 변환을 하는 것입니다.

 

 

 

 

 

새로운 생명체를 코드 화한다.

그렇다면 4D 프린팅은 변신 장난감을 만드는 데만 유용할까? 오히려 물건보다 새로운 인간을 만든다는 '게놈 지도'를 눈여겨볼 필요가 있습니다. 게놈은 곧 생명을 말합니다. 그렇기에 게놈 지도의 공개는 매우 중요한 개념입니다. 2010년 5월 제이 크레이그 벤터(J. Craig Ventet)는 자신의 연구팀과 함께 인공 박테리아 세포의 제조법을 통해 인공 DNA 게놈을 박테리아 세포에 삽입합니다. 인공 DNA 게놈은 스스로 움직이고 섭취하며 스스로를 복제하기 시작합니다. 

그의 연구팀은 2003년에 100만 개가 넘는 유전자 코드 정보를 통해 새로운 염기 서열을 조합한 바 있습니다. 이 성과들은 2003년에 인간 게놈 프로젝트에서 인간 게놈을 구성하는 모든 유전자 염기 서열이 밝혀져 유전자 지도가 완성되어 오픈 소스로 공개되었는데, 그 자원을 기반으로 이룬 결실입니다.

벤터는 디지털 생물학이라는 컴퓨터 기술을 통해 새로운 DNA 구성체를 만드는 작업을 합성 게놈학(Syntheticgenomics)이라고 정의합니다. 4D 프린팅의 가장 좋은 사례는 생명체 구성 요소인 DNA를 활용하여 생명체를 만들어내는 작업을 들 수 있습니다.

새로운 생명체를 코드 화하는 작업은 컴퓨터 공학과 생물학의 융합으로 이루어집니다. 

디지털 기술을 기반으로 하기 때문에 합성 생물학의 연구과 개발은 비용이 계속 저렴해질 수밖에 없습니다. 따라서 윤리, 기술 표준, 안전 문제에 대한 사회적 합의가 필요할 것입니다.

또 새로운 생물체를 코드 화하여 창조할 수 있기 때문에 근본적으로 인간과 진화에 대한 이슈가 생깁니다. 더불어 생물학 테러 등의 위험도 발생할 수 있습니다. 1918년에 노벨 화학상을 받은 프리츠 하버(Fritz Haber)가 암모니아의 대량 생산 방법을 개발하여 농업 혁명을 이끌었지만, 이는 나치 독일의 화학 무기 제조에도 역할을 했습니다. 이런 역사적 사실은 급속하게 발전하고 있는 합성 생물학의 밝고 어두운 면을 동시에 생각하게 합니다.

 

 

 

 

 

4D 프린팅 제품은 어떤 소재로 만들까?

4D 프린팅 제품을 만들려면 온도나 습도 등에 따라 모습이 변하는 스마트 소재가 필요합니다. 여기에는 나무나 종이 등 기본적인 소재는 물론이고, 형상 기억 합금이나 형상 기업 폴리머 섬유 등 첨단 소재까지 다양하게 활용할 수 있습니다. 1차로 제작된 물체가 초기에 설계된 조건과 만나면, 모습이 변하여 다른 특성을 지닌 물체로 변화하는 원리인 것입니다.

MIT가 공개한 4D 프린팅 사례에 따르면 물과 만나 팽창하는 나무가 있습니다. 코끼리나 상자, 축구공 밑그림을 출력하고, 이를 물에 담그면 코끼리 모형이나 상자 또는 축구공 모형으로 변합니다.

나무 소재의 물체가 자기 변환을 통해 설계된 물체로 변화하는 사례입니다.

4D 프린팅은 3D 프린팅이 시작되고 있는 의료, 장난감, 자동차, 건설, 로봇, 제조, 가구, 생물학, 재료과학, 예술, 우주 탐험 등 다양한 분야에서 활용될 수 있습니다.

3D 프린팅으로 만들어서 수술에 사용된 인공 뼈에 4D 프린팅 기술을 적용하면 환자가 성장함에 따라 환경에 반응하며 뼈의 크기나 모양이 변화하는 것도 가능하겠습니다. 또는 3D 프린팅 건축 자재가 비나 눈이 오는 환경에서 다른 모양과 크기, 특성을 띠는 자재로 스스로 변화할 수 있을 것입니다.

그런가 하면 처음 구입했을 때는 온전한 모양을 갖추지 못한 상태이지만, 시간이 흐른 후에 모양이 변형되면서 스스로 조립되는 가구가 만들어질 수도 있습니다.

 

 

 

 

독일의 BMW는 2016년에 4D 프린팅 기술을 적용한 비전 넥스트 100(Vision Next 100)이라는 차를 선보였습니다. 자율 주행과 인공지능 에이전트 기능을 갖춘 이 차는 4D 프린팅 기술을 적용해 환경조건에

따라 변화하는 디자인을 구현했습니다. 비전 넥스트 100은 아직은 일종의 개념으로, 새로운 스타일과 기술을 보여주기 위한 자동차 프로타입의 콘셉트 카(Concept car) 단계입니다.

소개 영상에서는 차량의 바퀴 휠에 4D 프린팅 기술을 적용해, 바람이 불거나 운전대를 돌릴 때 이에 맞춰 모양이 변화합니다.

 

합성 생물학(Synthetic Biology)

생명과학(Life Science) 적 이해를 바탕으로 공학적 관점을 도입한 학문으로 자연 세계에

존재하는 않는 생물 구성 요소와 시스템을 설계·제작하거나 자연 세계에 존재하는 생물시스템을

재설계·제작하는 두 가지 분야를 포괄합니다.

 

 

 

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