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메뚜기들은 종종 수백만~수천만마리씩 떼를 지어 날아다니며 농작물을 갉아먹는 피해를 입힘. 올해도 코로나19 사태 와중에 아프리카 여러나라와 인도, 브라질 등에서 메뚜기떼가 농작물에 큰 피해를 입혔음. 이 거대한 메뚜기 무리는 수백만마리가 오밀조밀 모여 군집비행을 하면서도 서로 충돌하지 않고 이동함.

미국 유펜대 연구진이 메뚜기의 이런 능력을 모방한 초소형 저전력 충돌 회피장치를 개발했음. 연구진은 이 기술을 더 다듬으면 향후 로봇이나 드론, 자율주행차 운영시스템에 두루 적용할 수 있을 것으로 기대했음.

이 대학 샙타시 다스 교수(기계공학)는 24일 과학저널 `네이처 일렉트로닉스'에 발표한 연구논문에서 "곤충의 시각기관이 비행 중 충돌을 방지하는 능력을 갖고 있다는 건 알고 있었지만 우리는 메뚜기한테서 독특한 점을 발견했다"고 말함. 연구진이 발견한 건 메뚜기들이 서로 충돌을 피하는 데 쓰는 특별한 뉴런 ‘LGMD’(Lobula Giant Movement Detector)임.

◆ 0.몇초 안에 방향 바꿔 충돌회피

메뚜기 뉴런은 두 가지 유형의 신호를 수신함. 하나는 근접해 오는 메뚜기의 이미지임. 다른 메뚜기가 자신한테 가까워질수록 이미지의 크기는 커지고 신호도 강해짐. 다른 하나는 상대방 메뚜기의 각속도, 즉 회전하는 속도의 변화임. 연구진은 "메뚜기는 두 개의 뉴런가닥으로 이 두 가지 수신신호에서 일어나는 변화를 계산해서 충돌하는 물체를 인식하고, 방향을 바꿔 충돌을 피한다"고 밝힘.

연구진에 따르면 시속 3~5km의 속도로 이동하는 메뚜기들은 이 뉴런을 이용해 힘들이지 않고 수백밀리초, 즉 0.몇초 안에 방향을 바꿔 서로 부딪치지 않음. 이렇게 빠른 반응시간과 적은 에너지소비량을 구현할 수 있는 기기를 만들 수 있다면 자율주행차를 비롯한 자동이동장치에서 커다란 혁신을 일으킬 수 있을 것이라는 게 연구진의 개발 의도였음.

연구진은 메뚜기의 특별한 능력을 기계장치로 구현하기 위해 0.001~0.005mm 크기의 단층 황화몰리브덴을 광센서로 쓰는 초소형 충돌 감지장치를 개발했음. 이 광센서는 아주 적은 양의 에너지만으로 메뚜기의 뉴런 반응을 흉내낼 수 있는 메모리장치 위에 배치했음.

광센서는 흥분신호(excitatory signal)인 물체가 다가오면 이에 반응해 소자의 전류를 증가시키고, 그 아래의 메모리장치는 억제신호(inhibitory signal)로서 전류를 감소시킴. 물체가 다가오면 흥분신호가 억제신호에 닿으면서 전류에 변화가 일어나 메뚜기의 뉴런에서와 같은 회피반응을 유발함. 이런 단층 광센서를 다중센서로 만들어 쓰면 3차원 공간에서 충돌을 회피할 수 있는 장치가 된다고 연구진은 밝힘.

연구진은 "이번 연구는 저렴하고 에너지 효율이 높은 초소형 충돌회피 시스템 개발을 향한 도약대"라고 자평함. 연구진은 또 메뚜기는 다른 메뚜기와의 충돌만 피할 수 있지만 연구진이 개발한 것은 다양한 속도로 다가오는 다양한 물체와의 충돌을 피할 수 있다고 밝혔음. 다만 이번 연구에선 직선으로 다가오는 물체에 대해서만 시험을 했음. 연구진은 모든 상황을 시험할 수는 없기 때문에 수치모델을 개발해 이를 대신했다고 설명했음.

본 연구 성과는 ‘Nature Electronics’ 지에 게재됨.