飛行 움직임에 關與하는 醋파리의 身體 部位에서 칼슘이 螢光色으로 빛나고 있다. Floris van Breugel & Thad Lindsay, Dickinson Lab 提供
科學者들이 昆蟲이 飛行할 때 筋肉이 어떻게 作用하는지 細細하게 밝혀냈다. 映像 技術에 人工知能(AI)을 具現하는 머신러닝(機械學習) 모델링 等 尖端 技術을 結合한 成果다. 비행 움직임을 精密하게 分析하기 위해 製作한 로봇 파리도 活用했다. 곤충이 비행하는 生物로 進化하게 된 생체역학적 祕密에 한 걸음 더 다가섰다는 評價다.
마이클 디킨슨 美國 캘리포니아工科大學(칼텍) 敎授 硏究팀은 17日(現地時間) 國際學術誌 '네이처'에 이같은 內容을 담은 硏究結果를 公開했다.
昆蟲은 날 수 있는 能力을 進化시킨 最初의 動物이다. 날개 構造도 翼龍, 새, 박쥐와 같은 다른 飛行 動物들과는 다르다. 昆蟲의 날개는 팔다리에서 鎭火했다고 보기는 어렵다. 代身 날개와 몸을 連結하는 獨特하면서도 아주 複雜한 部位인 '경첩'을 갖고 있다.
昆蟲의 경첩은 筋肉과 相互作用하며 날개를 퍼덕거리게 만드는 단단한 外皮(鞏膜)와 서로 連結돼 있다. 그동안 昆蟲이 空中을 날 때 경첩이 作動하는 方式을 分析하는 硏究는 쉽지 않았다. 鞏膜들이 鮮明하게 撮影하기 어려울 程度로 빠르게 움직이기 때문이다. 鞏膜이 날개 밑 깊숙한 곳에 位置해 外部에서 視角化하기도 어려웠다.
飛行하는 昆蟲의 경첩 움직임을 捕捉하기 위해 硏究팀은 다양한 尖端 技術을 動員했다. 醋파리가 날아갈 때의 날개 움직임을 觀察하기 위해 먼저 鞏膜을 調節하는 筋肉 全體의 實時間 칼슘 映像을 確保했다. 칼슘은 筋肉과 神經 機能을 調節하는 機能을 遂行한다. 昆蟲이 飛行하는 동안 칼슘의 活性化가 어떻게 變化하는지 觀察하면 飛行할 할 때 어떤 身體 部位가 活用되는지 알 수 있다.
硏究팀은 또 3次元(3D) 超高速 비디오 撮影을 통해 날아다니는 醋파리의 날개 움직임을 捕捉했다. 總 7萬2000個의 3D 撮影 데이터를 確保했다. 데이터를 檢證한 結果 자유롭게 飛行하는 파리의 모든 動作이 담긴 것으로 나타났다.
硏究팀은 蒐集한 데이터를 利用해 飛行하는 파리를 完璧하게 再現하는 로봇 파리를 製作하는 데 成功했다. 먼저 머신러닝으로 데이터를 分析하고 筋肉의 움직임에 따른 날개의 움직임을 正確하게 豫測하는 人工神經網을 만들었다. 날개 움직임에 對한 個別 鞏膜의 役割을 豫測하는 信號 變換器度 開發했다. 그런 뒤 昆蟲의 各 部位 筋肉 活動이 飛行時 發生하는 空氣疫學的 壓力에 미치는 影響을 定量化해 實際 파리와 類似하게 飛行할 수 있는 로봇 파리를 完成한 것이다.
分析 結果 이렇게 完成된 로봇 파리는 人工的으로 具現한 경첩을 갖고 있으면서 實際 自然系에서 살아가는 파리와 아주 類似한 飛行 움직임을 보였다.
硏究팀은 "多樣한 分野의 最尖端 技術을 結合해 파리 날개 경첩이 어떻게 作動하는지 確認하고 實際 파리처럼 飛行하는 로봇을 製作, 昆蟲 날개의 飛行 原理를 糾明했다"며 "昆蟲의 경첩은 自然系에서 가장 精巧하고 進化的으로 重要한 骨格 救助 中 하나"라고 말했다.
硏究팀은 또 이番 硏究를 통해 昆蟲의 飛行 움직임을 硏究할 수 있는 强力한 物理 모델을 提示했다. 追加 實驗을 통해 昆蟲의 身體가 作動하는 다양한 方式을 아는 데 도움이 될 것으로 期待된다.
디킨스 敎授는 "後續 硏究로 곤충의 腦神經系 連結地圖(커넥톰)가 開發돼야 한다"며 "飛行하는 過程에서 腦가 昆蟲에게 어떤 命令을 내리고 身體가 이를 따르는지 確認하면 昆蟲의 飛行 制御 回路에 對해 더 仔細히 알게 될 수 있게 될 것"이라고 말했다.
