초파리의 경이로운 비행 기술이 밝혀졌다.

미디어위원회

2020-09-13

초파리의 경이로운 비행 기술이 밝혀졌다.

(Tiny Fly Beats Robots)

David F. Coppedge

초파리(fruit flies)는 날쌔게, 원을 그리며, 지그재그로, 빠르게 날아간다. 연구자들은 초파리의 효율적인 비행을 연구하면서 통찰력을 얻고 있었다.

펜실베니아 주립대학의 연구자들은 초파리에 대해 몇 가지 놀라운 사실을 알게 되었다. 초파리는 매우 빠르게 날갯짓을 하지만, 날갯짓보다 보다 4배나 더 빠르게 머리 방향을 조절할 수 있었다. 그들은 고속카메라가 장착된 비행 시뮬레이터를 사용해 이것을 발견했다.

향상된 비행 제어를 위해서, 눈 깜빡하는 시간보다 약 30배 빠른 반응 속도로 안구 운동을 사용하는 초파리의 방법을 조사함으로써, 연구자들은 로봇공학에서 이 능력을 모방하려고 하고 있다...

초파리는 눈의 움직임을 사용하여, 보고 있는 것에 반응하여, 날개를 조정한다. 연구원들은 시야에서 움직이는 물체에 대한 비행 반응을 테스트하기 위해서, 비행 시뮬레이터를 개발했다. 그들은 초파리의 흉부를 머리 위의 기둥에 묶어, 날개를 펄럭거리면서 머리가 움직일 수 있도록 했다. 이를 통해 그들은 고속카메라를 사용하여, 날갯짓과 관련하여 머리가 어떻게 움직이는지를 볼 수 있었다. 녹화된 영상은 날개가 펄럭이는 것보다 4배나 더 빠르게 머리가 좌우로 움직이는 것을 보여주었다.

.초파리의 몸체 길이는 몇 밀리미터에 불과하다.

공 위의 눈

현재의 로봇 설계는 머리에 센서를 고정하여 사용한다. 초파리는 다른 접근 방식을 사용하고 있었다. 즉, 주변 환경을 스캔하기 위해서, 시야를 빠르게 감지할 수 있는 능동적인 안구 움직임을 사용하고 있었던 것이다. 사람도 이 작업을 수행하지만, 속도는 훨씬 느리다.

이 이론을 뒷받침하기 위해서, 연구자들은 초파리의 눈이 날개보다 4배 더 빠르게 반응할 수 있다고 판단했다. 또한 이러한 반응은 밀접하게 결합되어 있어서, 파리의 날개 움직임은 눈의 움직임에 크게 의존한다는 것을 보여주었다.
놀라운 사실로서, “모션 블러(motion blur, 빠르게 움직이는 물체에서 나타나는 뚜렷한 줄무늬)를 감소시킴으로써, 초파리의 시각은 원래 생각했던 것보다 훨씬 더 잘 조절되고 안정시킬 수 있음을 보여주었다”라고 첼리니(Cellini)는 말했다. "스포츠에서도 야구 선수들은 눈으로 날아오는 볼을 끝까지 따라가며 보아, 헛스윙을 줄이고, 타격률을 높이도록 가르친다."

보도 자료의 영상 클립은 가장 작고 보잘 것 없는 곤충의 능력에 대한 감탄으로 넘쳐나고 있었다. 팀원 중 한 명은 "사람이 만든 최고의, 곤충 크기의 초소형 로봇이 있다하더라도, 초파리와 다른 작은 곤충들이 하고 있는 것에 비하면, 초라할 것이다"고 말했다. 예를 들어, 그들은 천장에 거꾸로 앉을 수도 있다. "우리 인간이 설계하는 그 어떤 것도 그와 같은 성능을 가질 수 없을 것처럼 보인다."

그들의 논문은 PNAS 지에 게재되었다. <Cellini and Mongeau, “Active vision shapes and coordinates flight motor responses in flies.” PNAS September 1, 2020 https://doi.org/10.1073/pnas.1920846117>

연구팀은 인간 기술을 향상시키기 위해서, 비행 공기역학에 관심을 갖고 있었다.

기계공학을 전공하는 박사과정 학생이자 이 논문의 제1 저자인 벤자민 첼리니(Benjamin Cellini)는 “초파리의 비행을 연구하면, 생물학에 이미 존재하고 있는 놀라운 공학적 해법을 찾을 수 있다”고 말했다.

언젠가 화성에서도 초파리에서 영감을 받은 기술 사용할 수 있을 것이라고, 그 기사는 끝나고 있었다 :

“공학(engineering)에서 문제를 해결하는 데에 있어서, 수학 및 물리학의 원리를 적용한다.” 첼리니는 말했다. “화성에서 비행하는 로봇을 만들고 싶다면, 공학적 개념을 사용하여 해결책을 제시할 수 있다. 하지만 처음부터 아이디어를 개발할 필요는 없다. 자연에서 영감을 얻을 수도 있기 때문이다.”

작은 비행 곤충들은 매우 민첩하게, 또는 집단으로 비행하는 경향이 있다. "초파리는 놀라운 일을 수행할 수 있다"고 과학자는 말한다. 작은 곤충들과 새들이 충돌 없이 집단으로 비행하고 있는 것을 보라. 일러스트라(Illustra)의 영상물 “비행: 천재적인 새들(Flight : The Genius of Birds)”에서 찌르레기들이 충돌 없이 무리를 지어 날아가는 것을 보라. 이것은 자연의 비행 기술을 설계하신 창조주가 새들이 무리를 지어 충돌 없이 위 아래로 비행하는 방법을 알고 계셨음을 보여준다. 새든 곤충이든, 이렇게 무리를 진 멋진 집단비행이 가능하려면, 빠른 눈-날개 조정이 필요하다.