사람 눈과 대왕조개의 놀라운 빛 관리 방법

미디어위원회

2024-08-07

사람 눈과 대왕조개의 놀라운 빛 관리 방법

(Animals Teach Engineers How to Manage Light)

David F. Coppedge

빛을 모으는 묘기들이 자연에서 관찰되고 있다.

메릴랜드 대학의 연구자들은 인간의 눈에서 영감을 받아 새롭고 향상된 카메라를 개발하였다.(University of Maryland, 2024. 7. 2). 인간의 눈은 끊임없이 주변을 점프하며 직관에 반하는 것처럼 보인다. 사람들은 신속안구운동(saccades, 신속보기)이라고 불리는, 이 작은 눈의 움직임은 우리가 매끄러운 움직임의 이미지를 얻는 것을 방해한다고 생각할 수 있다. 실제로 뇌는 신속안구운동을 보정해야 하며, 그렇지 않으면 우리는 끊임없이 튀는 이미지로 인해 혼란스러울 것이다.

하지만 메릴랜드 대학(University of Maryland)의 연구자들은 그들의 최신 로봇 카메라에 신속안구운동을 프로그램 했을 때, 초점이 훨씬 더 날카로워지는 것을 발견했다. 그들은 "인간 눈의 무의식적 움직임을 모방한 이 카메라는 로봇, 핸드폰, 기타 이미지 촬영 장치에 더 선명하고 정확한 이미지를 만들어준다"라고 말한다. 메릴랜드 대학의 컴퓨터 과학부의 대학원생인 보타우 히(Botau He)는 인간의 눈에서 영감을 얻었다.

보타우 팀에게 정답은 미세 신속안구운동(microsaccades)이었다. 이것은 사람이 시선을 집중하려고 할 때, 무의식적으로 일어나는 작고 빠른 눈 움직임이다. 이 미세하지만 지속적인 움직임을 통해, 인간의 눈은 시간에 따라 물체와 물체의 색상, 깊이 및 음영과 같은 시각적 질감에 정확하게 초점을 맞출 수 있다.

"사람 눈이 초점을 유지하기 위해 그러한 작은 움직임을 필요로 하는 것처럼, 카메라가 움직임에 의한 흐려짐 없이 선명하고 정확한 이미지를 포착하기 위해서 비슷한 원리를 사용할 수 있다고 우리는 생각하고 있다"라고 그가 말했다.

연구팀은 미세한 카메라 동작을 만들고, 그것을 수정하기 위해 보상 소프트웨어도 만들어야 했다. 효과가 있었을까?

초기 테스트에서 AMI-EV(Artificial Microsaccade-Enhanced Event Camera)는 사람의 움직임 감지 및 빠르게 움직이는 모양의 식별을 포함하여, 다양한 맥락에서 움직임들을 정확하게 포착하고 표시할 수 있었다. 또한 연구자들은 AMI-EV가 초당 수만 프레임으로 움직임을 포착할 수 있다는 것을 발견했으며, 이는 평균적으로 초당 30~1000 프레임을 포착하는 일반적으로 흔히 사용되고 있는 상업용 카메라를 능가한다. 이 부드럽고 현실적인 움직임 영상은 몰입형 증강 현실, 더 나은 보안 모니터링, 우주 이미지 포착 방법의 개선 등 모든 것에서 중추적인 역할을 할 수 있을 것으로 보인다.

대왕조개는 태양에너지의 효율적 수집에 대한 해답을 갖고 있을지 모른다.(Yale University, 2024. 6. 28). 태양에너지를 연구하는 물리학자들은 산호초 위에 그냥 누워있는 ‘원시적인’ 조개로부터 무엇을 배울 수 있을까? 조개는 제자리에 고정되어 있지만, 그들이 필요로 하는 빛을 포착하기 위해 영리한 물리학을 사용한다. 사실, 예일대 연구자들은 그것들이 "지구에서 가장 효율적인 태양에너지 시스템일 수 있다"고 주장하고 있었다. 제공되고 있는 영상물에서 아름다운 색상의 대왕조개(giant clams) 사진과 함께 앨리슨 스위니(Alison Sweeney)가 이 거대한 조개에 대해 말하고 있는 것을 보라.

예일대학 연구자들의 새로운 연구에 따르면, 태양 전지판과 바이오정제(biorefinery) 설계자들은 열대 산호초 근처에 서식하고 있는 무지개빛의 대왕조개들로부터 한두 가지를 배울 수 있었다.

대왕조개들은 지구상에서 가장 효율적인 태양에너지 시스템이 될 수 있는, 얇은 광-산란 층으로 덮여 있는, 광합성 수용체의 역동적 수직기둥들과 같은 정확한 기하학적 구조를 갖고 있다.

그 조개들은 광합성을 하는 조류(algae)와 협력관계를 형성하고 있다. 앨리슨은 조개 내벽에 있는 무지갯빛 세포의 목적에 흥미를 느끼고 있었다. 이 세포들은 실제로 조개의 내부를 어둡게 만들고 있는데, 이것은 직관에 어긋나는 것처럼 보인다. 연구자들은 대왕조개의 태양에너지 수집 전략이 현재까지 만들어진 어떤 태양전지보다 더 효율적이라는 것을 발견했다. 최신의 태양전지는 단지 14%의 효율에 도달할 수 있다.

그 조개들은 광공생(photosymbiotic)을 하는데, 그들의 표면에 자라나는 단세포 조류들의 수직 원통들을 갖고 있다. 이 조류는 홍채세포(iridocytes)라고 불리는 세포층에 의해 빛이 산란된 후, 빛을 흡수한다.

연구자들은 조류의 기하학적 구조와 홍채세포의 빛 산란이 모두 중요하다고 말한다. 조류가 수직 기둥들로 배열된 것은, 들어오는 빛과 평행하게 하여, 조류가 가장 효율적인 속도로 햇빛을 흡수할 수 있게 해준다. 이것은 햇빛이 홍채세포 층에 의해 여과되고 산란되기 때문이며, 그 후에 빛이 조류의 각 수직 원통들을 균일하게 감싸기 때문이다.

보도자료에 따르면, 이와 유사한 기법은 매우 다른 서식지에 있는 완전히 다른 유형의 생물체에 의해서 사용되고 있다는 것이다.

이 연구에 따르면, 흥미로운 비교는 북부 지방의 가문비나무(spruce) 숲일 것이다. 연구자들은 변덕스런 안개와 구름층으로 둘러싸인 가문비나무 숲은 대왕조개와 비슷한 기하학적 구조와 빛의 산란 메커니즘을 공유하고 있지만, 훨씬 더 큰 규모라고 말했다. 그리고 그들의 양자 효율(quantum efficiency)은 거의 동일하다.

앨리슨은 공학자들이 금속과 유리로 태양 전지판을 만드는 대신, 대왕조개들이 사용하는 것과 유사한 기하학적 배열로 조류들을 키워야 한다고 생각하고 있었다. 그녀는 물리학 및 진화생물학의 부교수이지만, 다윈의 진화론이 그녀의 과학적 발견과 관련이 있는 것처럼 보이지는 않는다.

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빅 사이언스(Big Science)는 다윈의 이야기에 너무 많은 시간과 돈을 낭비하고 있다. 진정한 과학적 발전은 자연에 들어있는 설계로부터 배우는 것이다. 다윈의 진화론을 제거해 내는 것이 우리의 삶을 향상시킬 수 있으며, 연구자금의 낭비를 막고, 이와 같은 연구를 수행할 수 있도록 하는 방법인 것이다.

비슷한 기하학적 구조와 빛을 모으는 메커니즘이 대왕조개와 가문비나무 숲에서 발견된다는 것이 흥미롭지 않은가? 이것은 공통 조상을 가리키는가? 아니다. 공통 설계자를 가리키는 것이다!

이 세계는 인간이 해결하고 싶어하는 문제들을 해결해줄 수 있도록 하는, 매혹적인 설계들로 가득하다. 자연을 모방하는 생체모방공학에 더 많은 힘을 실어주라!