IBS
IBS 硏究팀이 쥐 行動 데이터를 抽出하고 있는 畵面이다. IBS 提供
人工知能(AI)를 利用해 動物 行動을 分類하고 分析할 수 있는 道具가 開發됐다.
基礎科學硏究院(IBS)은 이창준 認知 및 社會性 硏究團 團長과 차미영 修理 및 計算 科學 硏究團 데이터 사이언스 그룹 CI 團長 共同 硏究팀이 AI 學習을 통해 動物의 3次元 움직임 情報를 바탕으로 動物 行動을 分類하고 分析할 수 있는 새로운 分析 道具인 ‘섭틀(Spectrogram-UMAP-Based Temporal-Link Embedding·SUBTLE)’을 開發했다고 22日 밝혔다.
動物 行動 分析은 基礎 神經科學 硏究에서부터 로보틱스 等 다양한 硏究에 活用된다. 一般的인 動物 行動 硏究에서는 主로 1代의 카메라로 動物을 撮影해 特定 움직임의 時間, 頻度 等 低次元 데이터만을 分析한다.
이때 學習데이터 하나하나에 對應되는 결괏값을 AI에 提供해 데이터를 硏究한다. 마치 質問과 解答이 함께 있는 學習데이터를 가지고 反復的으로 학습시키는 形態다. 이 方法은 데이터 構築에 많은 時間과 努力이 必要하며 分析結果가 실험자의 主觀的 判斷에 依해 歪曲될 수 있다는 問題가 있었다.
3次元 모션캡처 裝備를 통해 抽出한 3次元 움직임 情報를 分析한 硏究팀은 最近 AI 訓鍊法으로 脚光받고 있는 '비地圖學習'을 利用해 AI에 提供해 動物 行動을 正確히 分類할 수 있는 分析 프레임을 具現하는 데에 成功했다. 비地圖學習은 正答 데이터 없이 入力되는 情報에 따라 AI가 確率的으로 判斷하도록 해 厖大한 量의 情報를 處理하는 데 적합하다.
비地圖學習을 통해 AI는 明示的인 결괏값(解答)이 없는 動物 行動 데이터로부터 스스로 데이터의 패턴과 構造, 特性을 찾아 類似性에 따라 클러스터로 묶어 分析했다. 人間의 介入을 最小化 해 偏向 없이 動物 行動을 分析할 수 있는 長點이 있다.
앞서 硏究팀은 여러 臺의 카메라로 생쥐의 움직임을 撮影해 생쥐의 머리, 다리, 엉덩이 等 9個의 키포인트 座標를 抽出해 時間에 따른 3次元 움직임 데이터를 얻었다. 움직임의 時系列 데이터를 2次元으로 縮小해 變換했다. 時系列 데이터는 時間에 따라 週期를 가지고 連續的으로 蒐集된 데이터를 가리킨다.
이때 高次元 空間의 單語나 이미지와 같은 데이터를 數學的으로 表現해 각 데이터에 對應하는 벡터의 母音으로 두는 임베딩 變換을 利用했다. 임베딩 데이터는 高次元 空間의 이미지 等 데이터를 數學的으로 表現해 各 데이터에 對應하는 벡터의 母音으로 바꾼 데이터다. 複雜한 데이터를 보다 簡潔하게 表現하고 人間이 知覺하는 이미지나 自然語를 컴퓨터에 入力해 認識하게 한다.
또 開發 過程에서 行動 데이터를 評價하는 指標인 TPI(Temporal Proximity Index)를 活用했다. 이 指標는 各各의 클러스터가 同一한 行動 狀態를 包含하고 效果的으로 時間的 움직임을 나타내는지를 測定할 수 있다. 硏究팀은 이 指標를 適用해 動物 行動을 分類하는 데 最適化된 알고리즘을 만들었고 이를 組合해 섭틀을 開發했다.
섭틀을 利用해 생쥐의 움직임을 分析한 結果 뒷발로 서기, 네발로 걷기, 멈추기, 털 고르기 等 다양한 行動 패턴들을 正確하게 區分하는 데 成功했다. 旣存 行動 分析 方法 對比 約 2倍 以上의 正確度를 보였으며 人間이 直接 分類한 精密度와 類似한 程度로 正確度가 向上됐다. 그룹 比較 等 다양한 分析이 可能해 새끼 생쥐와 聖體 생쥐 그룹 間 行動 데이터의 微妙한 差異까지 識別할 수 있었다. 甚至於 팔굽혀펴기, 들어올리기, 밀기 等 人間의 運動 動作도 正確히 區分下하면서 人間, 원숭이 等의 데이터에도 適用할 수 있음을 確認했다.
次 團長은 “向後 섭틀이 動物의 움직임을 模倣하는 로보틱스 産業을 비롯해 行動 패턴 認識이 必要한 産業 全般에 有用하게 活用될 것으로 期待한다”라고 말했다. 이 團長은 “人間의 行動 패턴 認識 메커니즘을 適用해 人間의 介入을 最少化하면서도 動物의 複雜한 行動을 理解할 수 있는 效果的인 行動 分析 프레임워크를 開發했다”라며 “産業的 應用 可能性이 클 뿐만 아니라 行動을 認知하는 腦의 原理를 더 깊게 理解하는 道具로도 活用할 수 있을 것”이라고 傳했다.
硏究陣은 섭틀의 코드를 오픈소스로 公開하고 프로그래밍에 친숙하지 않은 硏究者들도 便利하게 動物 行動 分析이 可能하도록 使用者 親和的 그래픽 인터페이스(GUI)를 갖춘
섭틀 웹서비스
를 提供하고 있다.