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손으로 잡지 않고 물건을 옮긴다?! 영화 스타워즈 속 '트렉터빔' 현실판!

우주에서 벌어지는 전쟁을 배경으로 공전의 히트를 기록한 두 개의 SF 영화스타워즈(Star Wars)와 스타트렉(Star Trek) 에는 특이한 광선이 공통적으로 등장한다바로 트랙터빔(Tractor Beam)’이다일명 ‘견인 광선이라 불리는 트랙터빔은 두 영화에서 우주기지를 방문하는 우주선을 안전하게 착륙시키거나공격하는 적의 우주선을 나포하는 기능을 가진 광선으로 소개되고 있다.

두 영화 모두 개봉된 지 수십 년이 지난 고전영화인 만큼당시의 과학기술 수준을 고려해 볼 때 견인 광선은 그야말로 영화 속에서나 가능할 법한 개념이었다하지만 관련 분야 기술이 눈부시게 발전하면서 견인 광선처럼 직접 접촉하지 않고도 물건을 이동시킬 수 있는 방법이 개발되고 있어 주목을 끌고 있다.

 

트랙터빔의 개요와 비접촉식 이동 원리

손으로 잡지 않고 물건을 옮긴다?! 영화 스타워즈 속 '트렉터빔' 현실판!소형 초음파 스피커를 통해 물건을 이동시키는 실험의 원리 (출처출처 bristol.edu)

공중부양을 하듯 물건을 직접 접촉하지 않은 채 이동시킨다면 신기하게 여기는 사람들이 많겠지만사실 물체를 공중으로 띄우거나 이동시키는 기술 자체는 그렇게 새로운 것이 아니다오래전부터 과학자들은 직접 접촉하기에는 위험하거나 지저분한 물질을 이송시키는 방법을 개발하기 위해 비접촉 방식으로 운반하는 방법을 연구해 왔다.

물건을 공중부양하는 가장 흔한 방법은 자기장을 이용하는 것이다쉽게 말해 자석이 갖고 있는 자기장의 반발을 이용해서 비접촉 방식으로 물체를 공중에 띄우는 것이다하지만 이 방법은 물건이 자성을 띄고 있어야 한다는 조건 때문에 한계를 갖고 있다.

손으로 잡지 않고 물건을 옮긴다?! 영화 스타워즈 속 '트렉터빔' 현실판!

더군다나 자기장을 이용해서는 정밀하게 물건의 움직임을 제어하는 것이 어렵다때문에 비접촉 방식으로 물건을 이송하는 것은 그동안 실험실에서만 사용해 왔다그런데 이 같은 자기장 방식의 한계는 빛과 초음파를 만나면서 돌파구를 찾게 되었다우선 빛으로 물질의 움직임을 제어하는 기술인 트랙터빔은 ‘광학집게(Optical Tweezers)’가 규모의 진화를 이룬 것이라 할 수 있다.

광학집게가 분자나 세포같은 초소형 입자를 이동시키는 기술이라면빛의 세기와 범위를 넓혀 커다란 물체를 이동시킬 수 있는 기술이 트랙터빔인 것이다광학집게란 레이저로 광(초점을 만들어 그 초점에 구형 물체를 이동시키는 방식이다렌즈를 이용하여 작은 레이저 광초점을 만들면 주변의 미세입자가 달라붙게 되는데마치 자석에 철가루가 끌려오는 것과 같은 현상이다. 1997년 노벨 물리학상을 수상한 이 기술은 현재 물리학과 광학 분야에서 널리 활용되고 있다.

이처럼 트랙터빔은 광학집게의 확대판이라 할 수 있는데이 확대판은 문제가 좀 있다입자의 크기가 커지면 커질수록 이를 견인할 수 있는 빛의 세기도 함께 강해져야 하지만현재의 기술 수준으로는 그 정도의 세기를 낼 수 있는 빛을 아직은 인위적으로 만들지 못하고 있다는 점이다이 같은 문제를 해결하기 위해 과학자들은 빛보다 더 확장성이 용이한 초음파로 시야를 돌렸다초음파를 이용하여 물건을 비접촉식으로 움직일 수 있는 기술은 광학집게의 개념을 활용한 ‘음향집게(acoustic tweezers)’ 기술을 기반으로 하고 있다.

초음파를 이용한 비접촉 포획 방식은 자기장을 이용한 방식과는 달리 섬세한 이송이 가능하다자기장 방식보다 물건을 부양하는 힘은 약하지만반면에 작은 물건을 세밀하게 움직일 수 있다는 장점을 갖고 있다.

손으로 잡지 않고 물건을 옮긴다?! 영화 스타워즈 속 '트렉터빔' 현실판!초음파 발생장치를 탑재하여 비접촉식으로 물체를 이동시키고 있는 모습출처: ETH)

실제로 2013년에 스위스취리히연방공과대(ETH) ‘다이모스 폴리카코스(Dimos Poulikakos)’ 교수는 초음파를 이용하여 이쑤시개를 공중에서 자유롭게 이동할 수 있는 기술을 개발했다최근에는 로봇팔처럼 생긴 집게에 초음파 장치를 탑재시킨 후대상이 되는 물건을 비접촉 방식으로 포획하는데도 성공한 바 있다.

로봇팔처럼 생긴 집게는 마치 공을 반으로 잘라 위와 아래로 나눈 것 같은 모양을 하고 있다그리고 그 안에 초음파를 형성하는 장치를 탑재하여 ‘압점(pressure point)’이 생성되도록 만들었다압점이란 주파수가 중첩되는 부분으로서이 압점에 물건을 넣으면 공중에 뜨게 된다따라서 초음파 장치가 탑재된 로봇팔 사이로 물건을 넣으면 직접 접촉하지 않고도 다른 곳으로 이동시키는 작업이 가능해진다.

손으로 잡지 않고 물건을 옮긴다?! 영화 스타워즈 속 '트렉터빔' 현실판!

이 같은 장치를 개발하는 이유에 대해 이번 연구의 책임자인 마르셀 슈크(Marcel Schuck)’ 교수는 “작고 부서지기 쉬운 물건을 손상 없이 옮기려면 비접촉 방식이 가장 안전하기 때문이라고 설명했다하지만 이런 과정을 물리적 접촉 방식으로 딱딱한 물성의 로봇팔이 수행한다는 것은 지금의 기술로는 불가능에 가깝다.

이뿐만이 아니다비접촉 포획 방식은 시계 제조에도 유용할 것으로 보인다시계 제조는 초소형 부품들로 조립해야 하는 만큼자동화 공정이 어려운 분야로 알려져 있다하지만 이 방식이 상용화된다면 자동화가 가능해질 수도 있다는 것이 슈크 교수의 생각이다.

게다가 초음파를 이용하여 비접촉 방식으로 물건을 옮긴다면물체의 형태에 크게 영향 받지 않고 제작할 수 있다따라서 연구진은 앞으로 물건을 떨어뜨리지 않고 정확하게 원하는 장소로 옮기는 기술을 개발하는 데 전력을 다한다는 계획이다.

 

촉각까지 전달할 수 있는 초음파 기술

수면 위 물체를 파도로 조작하는 기술 (출처:ANU TV)

비접촉 방식으로 물건을 옮기는 기술은 과거 호주에서도 진행된 바 있다. ETH의 연구와는 조금 개념이 다르지만파도의 크기와 파도 소리가 내는 주파수를 계산하여 바닷물에 뜬 탁구공을 원하는 방향으로 옮긴 사례가 있다.

호주 국립대(ANU)의 연구진이 개발한 이 기술은 파도의 크기와 주파수를 조정해 수면에 뜬 물체를 끌어당기거나 밀어내고 정지시킬 수 있다이들 연구진은 파도의 흐름을 조작하여 물 위에 뜬 탁구공을 한 방향으로 움직이게 하거나 일정 시간을 정지시키는 데 성공했다.

현재는 물에 떠 있는 탁구공을 제어할 정도의 수준에 불과하다하지만 머지않아 바다에 유출된 기름을 모으거나선박을 움직여 표류물을 제거하는 등의 용도로 활용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

▲”만지고 느끼는 홀로그램?!” 3D 초음파 스피커로 청각촉각 구현(출처: CNET KOREA)

반면에 초음파를 이용하여 3D 형태의 홀로그램을 띄우는 기술은 영화 스타워즈에서 등장하는 홀로그램 장면을 연상시킬 정도로 상당한 수준까지 발전했다영국 서섹스대(University of Sussex) 연구진은 초음파가 나오는 스피커를 이용하여 청각은 물론 촉각까지 전달할 수 있는 3D 홀로그램을 개발하고 있다.

작은 초음파 스피커들과 LED 조명을 사용하여 기존에는 볼 수 없었던 3D 이미지를 만들어 냈다이 과정에서 발생하는 음파를 이용하면 다양한 소리를 재현할 수도 있고이 기술을 더 확대시키면 촉각까지 전달할 수 있을 것으로 연구진은 전망하고 있다.

손으로 잡지 않고 물건을 옮긴다?! 영화 스타워즈 속 '트렉터빔' 현실판!샤오미 음파 전동칫솔 (좌측) / 안경렌즈 세척기(우측)

한편 초음파라고 하면 대부분 병원에서 많이 사용하는 초음파 진단기를 떠올리기 쉽다하지만 주위를 살펴보면 초음파를 활용한 기술은 생각보다 우리 생활과 밀접하게 연관되어 있음을 알 수 있다.

대표적으로는 초음파의 반사 기능을 활용한 ‘하이브리드 비콘(hybrid beacon)’ 시스템을 들 수 있다비콘은 근거리에 있는 스마트 디바이스를 인식하여 필요한 데이터를 전송할 수 있는 무선 통신장치인데하이브리드 비콘은 여기서 한 단계 더 진화한 장치로써 오직 매장 내 진입 손님에게만 알림 문자를 전송해 주도록 설계되었다.

반사 외에도 초음파가 가진 또 다른 특징에는 진동이 있다초음파가 가진 성질인 진동이 밀접하게 적용되는 생활 분야는 바로 ‘세척이다음파로 때를 씻어내는 원리는 빨랫감을 문지르거나방망이로 때리는 것과 유사하다.

구체적 사례로는 음파 진동이 만들어 내는 미세 기포로 칫솔모가 닿지 않는 곳의 세균을 씻어내는 초음파 기반의 칫솔을 들 수 있다또한 안경점에 가면 쉽게 볼 수 있는 렌즈 세척기에도 같은 원리로 초음파가 이용된다.

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