나는 체온 조절이 형편없다. 나는 밖이 지글지글 더울 때 냉동실에 머리를 집어넣는다. 축축하고 추우면 손의 혈관이 경련을 일으킨다. “나는 덥다. 이제 춥다”라는 말은 우리 가족 사이에서 농담으로 들리는 말이다.

 

하지만 나는 운이 좋다. 냉혈 동물에 비해 우리 인간은 다양한 온도에서 몸을 흥얼거리게 유지하는 방법이 무수히 많다. 우리는 추울 때 몸을 떨고 더위를 피하기 위해 땀을 흘린다. 그리고 극심한 더위나 추위 속에서 어려움을 겪을 때, 우리에게는 옷장을 바꾸는 두뇌가 있다.

 

당연하게 들리지만, 옷을 통해 우리는 상대적으로 편안하고 안전하게 세계의 먼 곳을 탐험할 수 있다. 그러나 자체 발열 조끼, 코어텍스 레이어, 얼음 팩이 내장된 슈트 등 가장 기술적인 의류에도 한계가 있다. 대부분은 몸을 따뜻하게 하거나 식힐 수 있지만 둘 다 할 수는 없으며 외부 전원이나 부피가 큰 배터리 팩이 필요하다.

 

이러한 의복은 온도가 뜨거운 열기에서 영하로 급격하게 변할 수 있는 사막이나 고지대에서 흔들린다. 그리고 우리가 지구를 넘어설 때 체온을 조절하는 경량 슈트는 더 긴 우주 유영을 더욱 그럴듯하고 즐겁게 만들 수 있다.

 

 

이번 주 난카이 대학의 과학자들은 태양 에너지만을 사용하여 체온을 빠르게 조절하는 스마트 의류를 향한 발걸음을 내디뎠다. 연구팀은 햇빛을 모아 열을 저장하고 전달하는 유연한 소재를 만들었다. 낮에는 패치가 피부의 열을 제거하고 과도한 에너지를 저장한다. 밤에는 날씨가 더 시원해지면 이 에너지 캐시를 방출하여 피부를 편안한 수준으로 가열한다.

 

본 제품은 태양 에너지로 구동되기 때문에 배터리 팩 없이도 피부 온도를 유지할 수 있다. 또한 패치는 냉각 모드와 가열 모드 사이를 자동으로 전환하여 주변 온도 변화에 빠르게 적응할 수 있다.  테스트에서 팀은 지원자의 손에 패치를 부착하고 단 몇 초 만에 피부를 9% 이상 식혔다. 패치는 영하부터 데스밸리 수준의 더위까지 광범위한 온도에 노출될 때 피부를 편안하게 유지할 수 있다.

 

 

팀은 전적으로 재료로 만든 옷을 디자인하는 대신 몸통과 등 부분에 더 큰 패치를 적용하고 어깨, 팔 윗부분, 허벅지 앞쪽에 더 작은 패치를 적용하여 일상 패션이나 우주복에 전략적으로 짜여질 수 있다고 생각한다. 몸 전체를 덮지 않더라도 패치의 열 저장 및 전달 효율이 높아 햇빛이 몇 시간만 있는 한 착용자가 하루 종일 편안함을 유지할 수 있다.

 

이 장치는 "가혹한 환경에 대한 인간의 적응 확장"을 위한 "많은 가능성을 열어준다"고 이번 연구에 참여하지 않은 상하이 교통대학교의 황 싱이과 펭리 박사들은 썼다.

 

 

테스트에서 팀은 지원자의 손에 패치를 부착하고 단 몇 초 만에 피부를 9% 이상 식혔다. 패치는 영하부터 데스밸리 수준의 더위까지 광범위한 온도에 노출될 때 피부를 편안하게 유지할 수 있다.

 

팀은 전적으로 재료로 만든 옷을 디자인하는 대신 몸통과 등 부분에 더 큰 패치를 적용하고 어깨, 팔 윗부분, 허벅지 앞쪽에 더 작은 패치를 적용하여 일상 패션이나 우주복에 전략적으로 짜여질 수 있다고 생각한다. 몸 전체를 덮지 않더라도 패치의 열 저장 및 전달 효율이 높아 햇빛이 몇 시간만 있는 한 착용자가 하루 종일 편안함을 유지할 수 있다.

 

이 장치는 "가혹한 환경에 대한 인간의 적응 확장"을 위한 "많은 가능성을 열어준다"고 이번 연구에 참여하지 않은 상하이 교통대학교의 황 싱이과 펭리 박사들은 썼다.

 

SF 패션

밖에 눈이 내리는 것을 보면서 따뜻한 담요 아래에 누워 있는 것을 이기기는 어렵다. 대조적으로, 선물 꾸러미를 쫓기 위해 추운 겨울 공기 속으로 달려가는 것은 완전히 악몽이다. 특히 잠옷과 슬리퍼를 신고 있는 동안에는 더욱 그렇다.

우리 몸은 극한의 온도를 견디도록 만들어지지 않았다. 우리가 생각하고, 느끼고, 호흡하고, 소화할 수 있게 해주는 생물학적 과정은 모두 작은 범위의 주변 온도에서 가장 잘 기능하는 단백질에 달려 있다. "열적 쾌적 영역"이라고 불리는 이 온도는 대략 화씨 71~82도(또는 섭씨 22~28도) 사이이다. 이 범위를 벗어나는 온도에서는 내부 온도를 유지하기 위해 몸이 땀을 흘리거나 떨게 된다. 그러나 이러한 생물학적 메커니즘은 극심한 더위나 추위에 실패하여 열사병, 동상, 심지어 사망에 이르게 된다.

의복은 피부 온도를 수동적으로나 적극적으로 조절하여 열적 쾌적 영역을 확장할 수 있다. 패시브 옵션에는 전원이 필요하지 않다. 손난로 팩과 같은 일부 제품은 화학 반응을 통해 열을 생성하고 방출한다. 다른 것들은 착용자를 식히기 위해 주변 환경으로 열을 발산하거나 체온을 피부에 다시 반사하여 따뜻하게 유지한다. 푹신한 재킷, 시원한 목 각반 또는 땀 흡수 소재가 이 범주에 속한다.

활물질은 외부 전원을 사용하여 필요에 따라 재료의 온도를 빠르게 변화시킨다. 그러나 높은 에너지 소비로 인해 하루 종일 온도를 유지하기가 어렵다. 특히 착용자가 이동 중일 때는 더욱 그렇다.

 

태양열 마모

 

새로운 연구는 자연에너지원인 태양을 이용해 활성물질의 수준을 높였다.

유연한 소재는 마치 오픈 샌드위치와 같다. 상단에는 햇빛을 전기 에너지로 빠르게 변환하는 유연한 태양광 패널과 잉여 전력을 포착하는 저장 모듈이 있다. 바닥의 피부를 향한 면은 전기열량 장치로, 전기에 노출되면 그 특성이 빠르게 변하는 얇은 막이다. 전기적 충격이 가해지면 이 층은 열을 흡수하고 주변 온도를 낮춘다. 전기장을 끄면 과정이 역전되고 장치가 피부에 열을 전달한다.

이 장치는 가열과 냉각 주기를 신속하게 전환할 수 있으며, 이전의 견고한 버전과 달리 이 소재는 구부릴 수 있고 반창고처럼 사람의 피부에 맞게 윤곽을 잡을 수 있다.

한 테스트에서 팀은 자원자의 손에 재료를 놓고 주변 온도를 쌀쌀한 온도와 매우 따뜻한 온도 사이로 변화시켰다. 그들은 적외선 카메라로 자원봉사자의 피부 온도를 모니터링했다.

 

작은 패치는 주변 온도 변화 후 몇 초 내에 편안한 온도에 도달했다. 또한 자급자족이 가능하여 12시간 햇빛 아래서 하루 종일 쉽게 작동할 수 있었다.

 

미지의 세계로?

새로운 시스템은 피부의 자연스러운 열적 편안함 영역을 넓혀준다. "인상적인" 확장은 신체가 "더 복잡하고 변화하는 환경에 적응"하는 것을 가능하게 한다고 황 싱이(Xingyi Huang)와 펭리 (Peng Li)는 썼다.

한 가지 잠재적인 응용 분야는 이 재료를 "전반적인 전력 요구 사항을 줄이는 데 도움이 되는 기존 우주복에" 엮는 것이라고 팀은 썼다. 공간을 찾는 것이 (말장난 의도는 아니지만) 어려울 수 있다. 장착된 우주복은 햇빛에 노출되는 영역이 너무 많아서 패널 크기가 제한된다. 외부 배터리 전원 없이 하루 종일 우주복에 전력을 공급하려면 우주복의 약 60%를 이 소재로 덮어야 한다.

또한 지구에서도 겨울에 햇빛이 줄어들면 물질을 충전하기가 더 어려워진다. 특히 낮이 거의 사라지는 극지방을 탐험하는 경우 더욱 그렇다.

팀은 이미 자료를 더욱 실용적으로 만들기 위해 노력하고 있다. 한 가지 아이디어는 패치의 온도 제어 범위를 더욱 높일 수 있는 온도에 민감한 전기 부품을 사용하는 것이다. 또 다른 방법은 패치의 전기 전도 능력을 높이는 화학 물질을 추가하여 열을 더 효율적으로 저장하고 전달하는 것이다. 여러 전기열량 층을 머리부터 발끝까지 연결하면 장치의 온도 변화 처리 능력이 향상될 수도 있다.

황 싱이과 펭리에게 이 소재는 의류 외에도 훨씬 더 많은 용도로 사용된다. 에어컨 없이도 온도를 유지하기 위해 차량이나 건물을 코팅할 수 있다. 허리케인, 홍수, 토네이도를 합친 것보다 더 많은 인명을 앗아가는 극한의 기온으로 인해 이러한 자료는 용감한 탐험가만을 위한 것이 아니라 우리의 일상 생활을 변화시킬 수도 있다.

 

이미지 출처: Kajetan Sumila / Unsplash