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세계최초 식물 잎에 프린팅, 물 부족 감지하는 센서 개발식물 기공(stomata)의 개폐를 감지, 식물이 가뭄 상황을 경험하기 시작할 때를 감지한다.
김수아 기자 | 승인 2017.11.12 09:02
2 개의 마이크로 기둥이 있는 스토아에 인쇄 된 전도성 잉크로 구성된 센서의 이미지(사진:MIT)

MIT의 엔지니어들은 식물의 잎에 인쇄 할 수 있는 센서를 만들었으며, 식물이 물 부족을 겪고있을 때 변화를 밝혀냈다. 이런 종류의 기술은 소외된 관엽 식물을 구할 수 있을 뿐만 아니라 농작물의 물부족을 농민들에게 조기 경보를 제공 할 수 있다고 MIT의 화학공학 교수인 마이클 P. 스트라노(Michael Strano) 등이 논문을 통해 발표했다.

스트라노는 "이것은 우리가 농업 분야에서 가지고 있는 가뭄의 가장 초기 지표인 것으로 보인다."며, "이 정보를 다른 방법으로 얻는 것은 어렵습니다. 센서를 토양에 설치할 수도 있고 위성 이미징 및 매핑을 할 수도 있지만 특정 식물이 물의 잠재력으로 감지하는 것을 결코 알지 못합니다." 라고 말했다.

또 스트라노는 "이 센서를 작물에 적용하기 위해 이미 대규모 농업 생산 업체와 협력하기 시작했으며, 기술이 정원사 및 도시 농민에게 유용할 수 있다고 믿습니다. 또한 연구원들이 가뭄에 강한 식물을 만드는 새로운 방법을 개발하는 데 도움이 될 수 있습니다."라고 덧붙였다.

토양이 마르면 식물은 성장을 늦추고 광합성 활동을 감소시키며, 이에 따르는 조직 손상을 입는다. 일부 식물은 시들기 시작하지만 다른 식물은 이미 심각한 피해를 입을 때까지 눈에 보이는 징후가 보이지 않는다.

잎 표면에 인쇄하는 전도성 회로의 회로도. 마이크로 유체 칩은 잎의 축을 제외한 면에 놓고 두 개의 홀더 사이에 끼워 넣는다. 삽입된 그림은 두 개의 접촉 패드와 단일 기공을 가로 지르는 줄무늬가 있는 인쇄된 마이크로 센서의 회로도를 보여준다. 기공이 열리면 전도성 스트라이프가 끊어져 센서 저항이 증가한다. 오른쪽 : Spathiphyllum wallisii에 기공 배선의 사진으로 구리 테이프는 인쇄된 잉크로 축축한 잎 표면에 직접 놓여지며 유선 기공은 멀티 미터에 연결된다.(사진:MIT)

이 새로운 MIT 센서는 물의 증발을 허용하는 잎 표면의 작은 구멍인 식물의 기공을 이용해 잎에서 물이 증발하면 식물의 수압이 떨어지고 증발이라는 과정을 통해 토양으로부터 물을 끌어 오는 과정을 감지하는 것이다.

식물 생물학자들은 어둠 속에서 빛에 노출되었을 때 기공이 열리는 것은 이미 알고 있었지만, 이 개폐의 역동성에 대해서는 실시간으로 직접 측정할 수 있는 좋은 방법이 없었기 때문에 거의 연구되지 않았다. 또한 사람들은 이미 기공이 빛과 이산화탄소 농도, 가뭄에 반응한다는 것을 알고 있었지만 이제는 지속적으로 그것을 모니터링 할 수 있게 됐다.

이 센서를 만들기 위해 MIT의 연구진은 탄소 나노 튜브로 만든 잉크를 사용하여 전기를 전도하는 작은 중공 튜브를 황산도데실나트륨(sodium dodecyl sulfate)이라는 유기 화합물에 용해시켜 기공을 손상시키지 않았다.

이 잉크는 기공을 가로 질러 인쇄되어 전자 회로를 만들며, 구멍이 닫히면 회로는 손상되지 않고 '멀티미터' 라고 하는 장치에 회로를 연결하여 전류를 측정한다. 구멍이 열리면 회로가 끊어지고 전류가 흐르지 않게 되어 단일 구멍이 열리거나 닫힐 때 매우 정밀하게 측정할 수 있다.

연구진은 정상 및 건조 조건에서 며칠 동안이 개폐를 측정함으로써 식물이 수분 스트레스를 경험할 때 2일 이내에 이를 감지 할 수 있음을 발견했으며, 그들은 빛에 노출된 후 약 7분 동안 문지기가 일어나고 암흑이 가라앉을 때 문을 닫는 것으로 나타 났지만 건조한 상태에서도 이러한 반응이 변하는 것을 발견했다. 식물이 물을 빼앗겼을 때 연구진은 기공이 닫히는 시간은 45분으로 떨어지는 반면, 기공은 평균 25분간 열리는 것을 발견했다.

또한 연구원들은 큰 기공이 있기 때문에 부분적으로 선택한 스파티필룸(Peace Lily) 이라고 불리는 식물에 센서를 테스트했으며, 연구진은 나뭇잎에 잉크를 적용하기 위해 미세 유체 채널이 있는 인쇄 금형을 만들었다. 금형이 잎 위에 놓이면, 채널을 통해 흐르는 잉크가 잎 표면에 침착된다.

연구팀은 연구에 이어서 이제는 잎 표면에 단순히 스티커를 부착하여 전자 회로를 적용하는 새로운 방법을 연구하고 있으며, 대규모 농업 생산자들 외에도 원예사들과 도시 농민들도 이러한 장치에 관심을 보일 것이라고 연구진은 제안했으며, 관련 연구에서 Strano의 연구소는 카메라와 마찬가지로 빛을 감지하고 이미지를 캡처하는 데 사용할 수 있는 센서 배열을 만들 가능성을 모색하고 있다.

한편 이 연구는 미국 에너지부(US Department of Energy), 스위스 국립 과학 재단 (National Science Foundation), 싱가포르 과학 기술 연구기구 (Singapore Agency for Science, Research and Technology)의 지원을 받았으며, 11 월 8 일자 온라인 저널 Lab on a Chip에 실렸다 .

김수아 기자  yosich@hanmail.net

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