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뜨개질은 아주 과학적인 취미입니다. 세계 곳곳의 과학자들은 뜨개질의 무궁무진한 가능성에 반해 저마다 손에 실과 바늘을 쥐고 뜨개질 삼매경에 빠져 있습니다. 진짜로요. 가느다란 아크릴 실로 뜨개질을 하게 된 물리학자가 있는가 하면, 뜨개질로 3차원(3D) 프린팅을 하겠다는 공학도도 있죠. “우주정거장에 뜨개질로 만든 가구를 들여놓는 게 꿈”이라고 하더라고요. 뜨개질의 어떤 면이 과학자들을 이렇게 매료시켰을까요? 이제 막 취미로 뜨개질을 하기 시작한 기자와 함께 살펴보시죠.
기자에겐 2024년 12월 중순부터 만들기 시작해 이제 겨우 손바닥보다 더 길어진 목도리가 하나 있습니다. 원래 작년 크리스마스에 선물하려고 만들기 시작했던 건데, 본의 아니게 해를 넘겨버렸죠. 하지만 포기는 없습니다. 따져보면 이미 4월에 목도리를 10%나 완성한 셈이기 때문에 올해 크리스마스 선물을 굉장히 일찍 만들기 시작했다고 볼 수 있거든요. 봄 햇살을 맞으며 뜨개질 하는 기분이 얼마나 좋은데요. 스마트폰 화면에서 눈을 떼고 털실 한 가닥을 손에 쥐어 보세요. 실을 엮다 보면 복잡한 감정이 정리되고 색다른 아이디어가 떠오르더라고요.
생각해 보면 뜨개질이란 정말 이상한 취미입니다. 오늘날 우리는 옷을 직접 만들지 않는 세상에 삽니다. 그래서 제2의 피부처럼 항상 붙어 있는 옷을 유심히 들여다보지 않죠. 뜨개질을 통해 목도리나 양말, 가디건 같은 것들을 직접 만들다 보면 직물이 얼마나 흥미진진한 물질인지 새삼 깨닫게 됩니다. 기자처럼 뜨개질을 새로운 시선으로 보기 시작한 과학자들도 많습니다.
한 코, 한 코 뜨개질한 내 목도리가 메타물질이라고?
목도리 한 개를 기계로 만드는 데 얼마나 걸리는 지 아시나요? 넉넉하게 생각해도 겨우 4시간 걸린다고 합니다. 이 사실을 알게 된 뒤 로 뜨개질을 하고 있자면, 계속해서 머릿속에 ‘기계로 하면 4시간’이란 속삭임이 들려옵니다.
이 속삭임을 이겨낼 수 있도록 도와준 연구 결과가 하나 있습니다. 제롬 크라소스 프랑스 렌대 물리학과 교수가 이끈 프랑스와 일본 국제 공동연구팀이 2024년 12월 12일 국제학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’에 발표한 논문인데, 제목은 ‘실의 주기적 연결이 가진 준안정성: 뜨개질로 만든 천의 모양은 무엇인가?’입니다. doi: 10.1103/PhysRevLett.133.248201
이 논문에는 뜨개질로 만든 천인 편물을 메타물질이라고 보고, 그 특성을 연구한 내용이 담겨 있습니다. 메타물질이란 원하는 성질을 갖도록 인위적으로 설계해 만든 물질입니다. 예를 들어 상어 피부의 구조를 모방한 메타물질은 물과의 마찰력을 줄이는 특성을 가집니다. 선수용 수영복에 쓰이죠. 또 레이더를 튕겨낼 수 있도록 설계된 메타물질은 스텔스기 표면을 코팅하는 데 씁니다.
첨단 재료처럼 느껴지는 메타물질에 편물도 포함된다니요. 연구팀은 논문에서 “편물은 형태를 극단적으로 잘 변형하는 놀라운 기계적 특성을 가진 메타물질”이라고 설명합니다. 메타물질에는 ‘단위구조’가 무한히 반복된다는 공통점이 있습니다. 상어 피부를 모사한 메타물질에는 마름모 모양의 작은 돌기가 엇갈려 배치돼 있습니다. 이것이 단위구조입니다. 단위구조의 모양은 메타물질의 특성을 결정짓는 중요한 역할을 합니다. 연구팀은 편물의 가장 기본적인 단위인 ‘한 코’를 단위 구조로 봤습니다.
니트 옷을 입고 있다면 자세히 들여다 보세요. 편물은 아래 실과 위 실을 고리 형태로 연결한 ‘코’가 반복되는 형태입니다. 실 한 가닥을 매듭지어 만든 한 코 한 코가 가로로 길게 연결돼 한 ‘단’을 이루고, 그 단이 쌓여 편물이 되는 식이죠. 점이 연결돼 선이, 선이 쌓여 면이 되는 개념과 비슷합니다. 그런데 편물은 면이라고 말하기엔 좀 독특한 특성을 가지고 있습니다. 모직 코트는 입어도 빳빳한 형태를 유지하잖아요? 그런데 니트 옷은 몸에 맞도록 유연하게 형태를 변형한다는 점이 다릅니다. 어깨의 곡선, 판판한 등, 뾰족한 팔꿈치를 부드럽게 감싸는 것이 편물의 특징입니다.
편물은 어떻게 이렇게 유연한 특성을 가지게 됐을까요? 연구팀은 질문에 대한 답을 얻기 위해 직접 뜨개질을 했습니다. 지름 0.155mm의 투명한 나일론 실로 가로 70코, 세로 70단짜리 편물을 만들고, 이걸 인장 시험기에 연결한 겁니다. 인장 시험기를 이용해 편물을 가로·세로 방향으로 잡아 당긴 다음, 이때 편물의 형태와 실에 걸린 힘을 분석했죠.
실험 결과, 편물에 다양한 방향으로 힘을 줄 때마다 편물 속 각각의 코를 이루는 실이 특정한 형태로 변하고, 마찰을 통해 그 상황에 맞는 준안정성(Metastability)을 보였습니다. 준안정성이란, 완전히 안정된 상태에 놓인 건 아니지만, 그 상태로 오랫동안 변하지 않고 상태를 유지할 수 있어 불안정한 상태라고 할 수도 없는 중간 단계를 말합니다. 편물을 이루는 각각의 코는 외부에서 힘을 줄 때마다 제각기 다른 준안정성 상태를 취했습니다. 그 덕에 유연하게 형태를 바꾼 다음 그 상태를 유지할 수 있었죠.
논문을 함께 살펴본 노준석 POSTECH 기계공학과 교수는 “논문에서 보여준 메타물질의 단위구조와, (그 단위구조로 인해) 발현된 특이한 성질을 보면 편물을 메타물질로 부를 수 있다”고 해설했습니다. 노 교수는 메타물질을 이용해 빛을 비롯한 파동을 자유자재로 조절하는 연구를 하고 있는 전문가입니다. 노 교수의 눈으로 보면 편물을 메타물질로 본 이 연구가 이상할 건 없습니다. 그도 이미 세상에 있는 구조를 다시 보는 식으로 연구하고 있으니까요. 평소에 연구 아이디어를 어디서 얻냐는 질문에 노 교수는 이렇게 말했습니다.
“모르포나비의 기이한 색을 만들어준 광결정 구조에서 아이디어를 얻거나, 사하라은개미가 사막에서 잘 살아남는 모습을 보고 개미의 표면과 닮아 열 교환에 최적화된 메타물질을 만드는 등 많은 아이디어를 자연에서 얻습니다. 최근에는 기존 형태들을 인공지능(AI)에 학습시킨 다음, 새로운 형태를 제안하도록 해 그동안 고안하기 어렵던 메타물질을 찾아내기도 했습니다.” 이번 연구는 앞으로 뜨개질을 더 잘 활용할 수 있도록 물꼬를 터줬습니다. 유연하게 형태를 바꾸고, 실과 실 사이의 마찰력을 이용해 그 형태를 유지하는 편물이 앞으로 어디에서 활약할지 상상해 보세요. 뜨개질은 사실 첨단 과학에 활용될 수 있는 재료를 만드는 대단한 과정인 거죠.
그건 그렇고, 논문을 읽다 보면 묘하게 웃음이 나옵니다. 생각해보세요, 실험실 구석에서 연구자가 지름 0.155mm의 투명실로 뜨개질을 하는 장면을. 마침 논문 발표 시기도 기자가 급히 뜨개질을 하던 12월 중순이었거든요. 같은 고생을 했을 유라시아 대륙 반대편의 누군가를 떠올려 보니 괜히 동질감이 느껴졌습니다. 털실로 목도리 만들기는 오히려 쉬워 보였달까요. 그의 이야기가 궁금해서 메일을 보내봤지만 아쉽게도 답장을 받지는 못했습니다. 먼나라의 뜨개인이여, 지금은 평안하시길.
편물
2차원의 벽을 넘어, 3차원 뜨개질을 해볼까요
뜨개질을 진지하게 연구하는 이들은 생각보다 많습니다. 분야도 다양해요. 편물의 물리적 특성을 분석하려는 사람들도 있고, 뜨개질 자체가 가진 효능을 연구하는 이들도 있습니다. 그 예로, 뜨개질을 취미로 하는 이들이 온라인 페이지에 남긴 A4용지 150 페이지 분량의 수기를 분석해, 뜨개질이 이들의 정신건강에 좋은 영향을 미쳤음을 밝힌 연구 결과가 2024년 국제학술지 ‘작업 과학 저널(Journal of Occupational Science)’에 발표됐죠. doi:10.1080/14427591.2023.2292281
프랑스와 일본 등 국제 공동연구팀은 뜨개질로 만든 천인 편물을 메타물질로 보고, 편물의 물리적 특성을 연구한 결과를 2024년 12월 발표했다. 이들은 실험을 위해 지름 0.155mm의 나일론 실로 뜨개질을 했다.
미국 카네기 멜론대에는 ‘뜨개질에 미친 자’들로 이뤄진 연구실이 있습니다. 이름부터 ‘직물 연구소(Textiles Lab)’죠. 여기선 뜨개질로 스위치를 만들거나, 뜨개질 ‘3차원(3D) 프린터’를 만드는 등 별의 별 연구가 이뤄지고 있습니다. “여기선 모든 사람들이 항상 뜨개질을 하고 있다”고 말하는 유이치 히로세 카네기 멜론대 직물 연구소 연구원과 2월 8일, 화상 인터뷰를 진행했습니다.
히로세 연구원은 현재 ‘솔리드 니팅(Solid Knitting)’이라는 프로젝트를 진행하고 있습니다. 솔리드 니팅 프로젝트는 뜨개질을 해서 실 한 가닥으로 2차원의 편물을 만들듯, 편물을 층층이 쌓아 3차원의 단단한 편물을 만드는 연구입니다. 편물은 물론 부피를 가지고 있으니 3차원의 물체가 맞긴 합니다. 하지만 보통은 2차원의 면을 이리저리 이어 붙인 형태란 말이죠. 그런데 히로세 연구원의 솔리드 니팅을 통해선 3D 프린팅을 하듯이 편물을 한 층 한 층 쌓아 진짜 3차원의 형태를 만들 수 있습니다. 이렇게 만든 3차원 편물은 위에 사람이 올라가도 끄떡없을 정도로 단단해요.
히로세 연구원의 유튜브 채널 ‘솔리드니트(Solidknit)’에는 솔리드 니팅을 통해 모아이 석상 모양의 3차원 편물을 만드는 영상이나, 솔리드 니팅을 하는 기계의 모습이 나와 있습니다. 기자가 그의 프로젝트를 처음 알게 된 것도 우연히 본 유튜브 영상을 통해서였죠. 손으로 직접 솔리드 니팅을 하는 방법을 알려주는 친절한 설명 영상도 있어요. ‘정말 이상한 사람이다! 꼭 만나야지!’ 영상을 보는 내내 기자가 한 생각입니다.
“디즈니 애니메이션 ‘빅 히어로’라고 아세요? 거기 대표적인 로봇은 베이맥스라는 소프트로봇인데, 사실 저는 베이맥스 말고 주인공이 만든 마이크로봇에 더 가까운 걸 만들고 있죠.”
마이크로봇은 손톱 정도 크기의 아주 단순하게 생긴 로봇입니다. 이것이 수만 개 모여서 계단이 됐다가, 거대 로봇이 됐다가, 수송기기도 되는 콘셉트죠. 히로세 연구원은 “석사 학위를 따던 2012년은 한창 3D 프린팅 연구가 핫하던 시기였다”면서 “그런데 3D 프린팅은 한번 물체를 만들면 그 물체의 형태를 계속 유지해야만 하는 한계가 있다”고 설명했습니다. 반면 마이크로봇의 경우 여러 개의 작은 단위체가 자유자재로 뭉쳤다가 흩어지며 형태를 바꿉니다. “저는 마이크로봇처럼 형태를 만들었다가 흩어지는 것이 자유자재인 3D 프린팅 기법을 개발하고 싶었습니다.” 히로세 연구원의 설명입니다.
"뜨개질처럼 우리가 그간 가사의 일종으로만 여기던 수많은 일에는 얼마나 많은 노하우와 가능성이 축적돼 있을까요?"
그러던 와중, 히로세 연구원은 동료 연구원이 뜨개질을 하는 모습을 우연히 보게 됩니다. 뜨개질의 한 코 한 코가 마치 마이크로봇한 개처럼 보였죠. 뜨개질의 특징은 실을 엮어 편물을 만들고, 반대로 편물을 풀어 다시 실로 변환하는 과정을 자유자재로 할 수 있단 점이니까요. 마이크로봇이 모여 큰 형태를 만들었다가 다시 흩어 지듯이, 뜨개질도 한 코 한 코 떠 큰 형태를 만들었다가, 다시 풀어 새로운 물체를 만들 수 있을 거란 아이디어입니다. 뜨개질을 3D 프린터처럼 쌓아올리며 할 방법을 찾으면 되는 문제였습니다. 단, 실한 가닥 외에 다른 재료는 사용하지 말아야 한다는 한계가 있었죠.
“뜨개질만을 이용해서 3차원 편물을 만드는 방법을 찾는 데 한 두 달 걸렸습니다. 오래 걸린 건 그 다음 과정이었어요. 솔리드 니팅 기계를 만드는 데 10년쯤 걸렸죠. 현재 솔리드 니팅 기계는 손가락 두 마디 크기의 정육면체 모양을 뜨개질 하는 데 8시간이 걸립니다. 이 시간을 단축하는 게 중요한 문제입니다. 아직 에러도 많아요. 옆에 앉아서 일일이 고쳐줘야 하죠.”
아직 갈 길이 멀지만 히로세 연구원의 포부는 무척 큽니다. 그의 꿈은 세계 곳곳에, 나아가 달에도(!) 솔리드 니팅 기계를 설치하는 겁니다. 듣자 하니 그럴싸한 이야기였어요.
“솔리드 니팅 기계를 세계 곳곳에 설치하면, 전기 통신을 통해서 물체의 형태를 보내는 것도 가능합니다. 솔리드 니팅으로 만든 가구의 정보를 보내면 세계 어디서도 동일한 모양의 가구를 만들어낼 수 있죠. 미래에 달 탐사를 할 때도 쓸 수 있어요. 우주 기지는 공간이 협소해서 다양한 형태의 가구를 모두 갖추고 살 수 없잖아요? 솔리드 니팅 기계를 이용해서 침대를 만들어 밤에 사용했다가, 낮에는 이걸 풀러서 책상으로 다시 만들 수도 있겠죠.”
이야기를 듣고 보니 손이 근질근질했습니다. 솔리드 니팅을 해보려고 하는데, 팁을 줄 수 있냐는 질문에 히로세 연구원은 “신축성 있는 두꺼운 실을 쓰는 걸 추천한다”고 말했습니다. 솔리드 니팅은 처음이었지만, 유튜브 영상을 보면서 차근차근 해보면 진짜 되더라고요. 집중해서 만들었더니 손가락 두 마디 만한 직육면체를 만드는 데 한 시간 정도 걸렸습니다. 손이 빠른 솔리드 니팅 기계가 빨리 나오면 좋겠다고 생각했죠(참고로 히로세 연구원이 10년 걸려 제작한 솔리드 니팅 기계는 같은 작업에 8시간을 씁니다).
편물의 패턴에 따른 인장 강도
“그걸 바로 안뜨기라고 부른답니다^^”
뜨개질의 수많은 가능성이 재조명 받는 요즘, 떠오르는 일화가 있습니다. 영국의 이론물리학자 폴 디랙이 친구의 집에서 이야기를 나누다가, 옆에서 뜨개질을 하는 친구의 아내 안냐 카피차의 모습을 봤대요. 카피차는 당시 ‘겉뜨기’라고 부르는 뜨개질 방식을 이용하고 있었죠.
겉뜨기를 보던 디랙이 무척 흥분해서 카피차에게 달려갔다고 해요. “뜨개질을 위상기하학적으로 분석해 봤는데, 뜨개질을 할 수 있는 방법은 단 두개야! 하나는 지금 네가 쓰고 있는 방법, 나머지 하나는 이렇게 하면 되지.” 시범을 보이던 디랙에게 카피차가 “네가 보여주는 새로운 방법을 여성들은 이미 잘 알고 있으며, 그걸 ‘안뜨기’라고 부른다”고 답했다는 이야기입니다.
새삼스럽게 과학적으로 분석하고는 있지만, 뜨개질에는 이미 오랜 세월의 노하우가 쌓여 있죠. 겉뜨기와 안뜨기를 반복해서 하면, 무척 신축성 있는 편물을 만들 수 있어요. 스웨터 소매나 목 둘레에서 쉽게 볼 수 있습니다. 2024년 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’에는 다양한 패턴의 편물이 가진 신축성이나 강도 등을 실험과 시뮬레이션을 통해 분석한 연구 결과가 발표됐습니다. doi:10.1038/s41467-024-46498-z
연구를 이끈 엘리자베타 마츠모토 미국 조지아공대 물리학과 교수는 보도자료를 통해 “수 세기동안 숙련된 뜨개질 장인들은 다양한 패턴을 이용해 편물의 형태와 탄성을 조절해 왔다”면서 “이에 대한 기술적 지식은 주로 구전으로 전해졌다”고 말했습니다. 현대 과학자들은 입에서 입으로 전해 내려오던 이 지식을 보편적으로 활용할 수 있도록 기록을 남기는 작업을 하고 있습니다. 마츠모토 교수팀의 연구에 따르면 겉뜨기와 안뜨기를 반복한 ‘시드’ 패턴이 위아래 방향으로 가해지는 힘에 더 잘 저항했습니다. 가장 신축성이 높았던 건 겉뜨기로만 만든 ‘스타키네트’ 패턴이었습니다. 사실 기자도 논문을 읽기 전부터 잘 알고 있던 사실입니다. 뜨개질을 하는 이라면 모두 알고 있을 겁니다.
그러고 보면 우리가 그간 가사의 일종으로, 취미로 여기던 수많은 일에는 얼마나 많은 노하우가 축적돼 있을까요. 무궁무진한 뜨개질의 가능성을 떠올려 보며, 오늘은 목도리를 한 뼘은 더 떠 보리라고 결심합니다. 함께 하시죠. 기사 작성일(3월 6일) 기준 크리스마스까지는 이제 294일 남았습니다. 하루에 두 단만 떠도 금방일걸요?
