2024-10-02
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이미지 출처: 언스플래시
그는 너무 빨리 달렸다.
기술이 발전하면서 많은 로봇이 매우 부드럽게 움직일 수 있게 되었고 인간이 집안일과 일부 특수 작업을 완료하는 데 도움을 줄 수 있게 되었습니다. 그러나 로봇이 아무리 잘 설계되어도 생명과 경쟁할 수는 없습니다. 로봇은 명령을 내리는 일련의 센서, 액추에이터 및 신경망으로 조립되기 때문에센서는 종종 단일 신호만 감지할 수 있습니다., 압력, 빛, 열 등과 같은
비교하면,유기체는 다양한 신호에 동시에 반응할 수 있을 뿐만 아니라 수용체 밀도도 매우 높습니다.. 예를 들어, 손가락 하나에도 3,000개가 넘는 기계수용체가 있는데, 이 수용체들은 수천 개의 신경과 신경 경로로 연결되어 있으며, 이러한 신경 경로들은 서로 연결되어 있어 손가락이 느끼는 신호가 신속하게 전달됩니다. 뇌. 이렇게 복잡한 구성 요소를 밑바닥부터 완성된 로봇으로 조립하려면 필요한 공정이 현재 인간의 기술 수준을 훨씬 뛰어넘습니다.
생명체와 로봇을 하나로 융합하는 것이 가능할까? 일부 과학자들은 제안했다.바이오하이브리드 로봇바이오하이브리드 로봇의 아이디어는 필요에 따라 세포를 유용한 형태로 만들거나 세포에 의해 자연적으로 형성된 특정 조직을 사용하여 로봇을 제어하는 것입니다.
최근 사이언스 로보틱스(science robotics)에 게재된 기사(과학로봇공학), 미국 코넬대학교 연구진은 바이오하이브리드 로봇 분야에서 또 다른 중요한 단계를 밟았습니다.새송이버섯(pleurotus eryngii) 균사체는 다양한 형태의 로봇의 움직임을 성공적으로 제어했습니다.。
pleurotus eryngii 균사체를 이용해 제어되는 로봇 중 하나 (이미지 출처: 원본 논문)
"pleurotus eryngii 로봇"
바이오하이브리드 로봇을 생각할 때 느타리버섯(king oyster mushroom)이 떠오르지 않을 수도 있습니다. 왜냐하면 이 곰팡이가 사람들에게 주는 첫인상은 맛있다는 것과 별개로 다양한 일을 할 수 있는 로봇과는 거리가 멀기 때문일 것입니다. 그러나 바이오하이브리드 로봇 공학 분야에서 곰팡이는 실제로 동물 세포에 비해 비교할 수 없는 많은 이점을 가지고 있습니다.
첫 번째,곰팡이는 멸균 환경에서 자랄 필요가 없으며 “자라기 쉽습니다”, 대량 번식을 위해서는 기본적인 영양분만 공급하면 됩니다. 이에 비해, "섬세한" 동물 세포는 연구원들이 매일 신선한 배양 배지를 교체해야 할 뿐만 아니라, 정상적으로 성장하기 위해서는 배양 배지에 항생제를 첨가해야 합니다. 또한, 자연계에도 곰팡이가 널리 분포되어 있습니다.고염분, 고산성, 극성 및 심지어 방사선 환경에서도 생존, 이는 광범위한 애플리케이션 시나리오의 기반을 마련합니다.
마지막으로 곰팡이도 매우 위험할 수 있습니다.다양한 환경요인에 민감하게 반응. 예를 들어, 빛은 곰팡이의 일주기 리듬을 조절합니다. 토양 깊은 곳에서는 균사체가 환경 변화에 대응하는 거대한 네트워크를 형성합니다. 뉴런이 신호를 받은 후 활동 전위를 생성하는 것처럼 균사체 세포도막을 통과하는 이온의 이동에 의해 유사한 전기 신호가 생성됩니다., 유사한 탈분극 및 재분극 과정도 있을 것입니다.
그 결과, 코넬대 로버트 f. 셰퍼드 교수의 눈길을 사로잡은 것은 빠르게 자라며 독성이 없는 귀여운 곰팡이인 킹오이스터 머쉬룸(king oyster mushroom)이다. 환경적 요인에 반응하는 pleurotus eryngii의 전기 신호를 기록하고, 이 신호를 로봇이 해당 행동을 하도록 지시하는 데 사용할 수 있다면, pleurotus eryngii를 사용하여 로봇을 제어하는 것과 동일하지 않을까요? 반올림하면,이것은 단순히 건담 로봇을 운전하는 pleurotus eryngii입니다.！
새송이버섯(이미지 출처: diego delso, wikimedia commons 경유)
그러나 곰팡이 제어 로봇을 구현하는 것은 쉽지 않습니다. 기계공학, 전자공학, 균류학, 신경생물학, 신호처리 등 여러 분야를 융합한 체계적인 공학입니다. 연구팀이 해결해야 할 첫 번째 과제는 로봇 작동 중 진동과 전자기 간섭을 어떻게 차폐하여 균사체에서 발생하는 생체전기 신호를 안정적이고 장기간 기록할 수 있는가이다. 그들이 사용한 방법은 pleurotus eryngii의 균사체를 배양하는 것이었고,균사가 자라서 전극을 감싸도록 하세요., 전극과 안정적인 연결을 형성한 후 실시간으로 전기 신호를 기록할 수 있는 균사체 모듈을 로봇 브래킷의 일부로 사용합니다.
연구팀은 또한 기록된 생체 전기 신호가 로봇의 움직임을 안내하도록 해야 합니다. 그러므로 그들은 동물의 신경계에서 유래한다.중앙 패턴 생성기(cpg), 특수 제어 아키텍처가 설계되었습니다. cpg는 리드미컬한 감각 입력이나 중앙 피드백 입력(예: 칠성장어의 많은 수영 동작)이 필요 없이 리드미컬한 출력을 내생적으로 생성하고 리드미컬한 움직임 패턴을 형성할 수 있는 신경 회로입니다. 연구진은 균사체의 전기 신호를 cpg와 유사한 디지털 제어 신호로 변환하는 알고리즘을 설계했습니다. 이 신호는 로봇의 액추에이터(밸브 또는 모터)로 전송되어 로봇의 움직임을 제어합니다.
균사체가 전극을 감싸고 있습니다. (이미지 출처: 원본 종이)
이 연구를 바탕으로 연구원들은 pleurotus eryngii 균사체에 의해 "조작"될 수 있는 두 대의 바이오하이브리드 로봇을 설계했습니다. 닮은꼴불가사리다섯 발로 걷는 것도 마찬가지다.자동차, 네 바퀴를 통해 전진합니다. 연구원들은 균사체 모듈을 로봇의 "머리"로 사용했습니다. "pleurotus eryngii 뇌"의 신호는 각각 로봇 본체의 밸브와 모터를 제어하여 "불가사리"와 자동차를 앞으로 움직일 수 있습니다.
자연 상태에서 'pleurotus eryngii 뇌'가 생성한 전기 신호를 통해 로봇이 전진할 수 있지만, 연구팀은 이러한 바이오하이브리드 로봇이 외부 환경에 반응하고 특정 조건에서 이동할 수 있기를 바라고 있습니다. 그래서 그들은 선택한다pleurotus eryngii 균사체를 더욱 활성화하기 위해 빛을 신호로 사용. "버섯은 빛을 좋아하지 않고 어두운 곳에서 자라기 때문에 빛은 버섯에게 강한 신호를 줍니다."라고 셰퍼드는 말했습니다.
연구자들은 자외선, 청색, 적색, 백색광의 네 가지 유형의 빛 중에서pleurotus eryngii 균사체는 자외선에 가장 민감합니다.. 그래서 그들은 균사체에 자외선을 조사하여 로봇을 앞으로 나아가게 했습니다. 논문에 게재된 영상에 따르면, 균사체 모듈에 자외선을 잠깐 조사하기만 하면 되며, 이 모듈이 생성하는 강한 전기 신호는 '불가사리'와 로봇이 앞으로 더 빨리 달리도록 지시를 내린다.
자외선 조사 후 pleurotus eryngii 균사체가 조종하는 로봇 '불가사리'가 빠르게 전진했습니다. (영상 출처: 원본 논문)
더 많은 애플리케이션
이번 연구에서 셰퍼드 팀은 새송이버섯 균사체가 빛을 감지하고 반응하는 능력만 테스트했습니다. 그러나 연구자들은 곰팡이가 환경에 극도로 민감하다고 말합니다.이러한 로봇은 미래에는 환경의 화학 물질, 병원체, 심지어 방사선까지 감지하는 데 사용될 수도 있습니다.. 예를 들어, 농장 토양의 화학적 구성을 감지하는 데 사용될 수 있으며, 비료가 환경에 미치는 영향을 줄이기 위해 적절한 시기에 비료만 적용하도록 로봇을 구동할 수 있습니다.
하지만 셰퍼드는 이렇게 말했습니다.빛에 반응하는 것보다 화학물질에 반응하는 '곰팡이 로봇' 만드는 게 더 어렵다. 특정 화합물의 농도와 곰팡이의 전기적 활동 사이의 상관 관계를 확립해야 하기 때문에 먼저 많은 수의 관련 기록과 주석이 포함된 대규모 데이터베이스를 구축한 다음 이를 달성하기 위해 인공 지능을 훈련시켜야 할 수도 있습니다. .
중금속을 함유한 전자기기에 비해 감도가 좋다는 장점과 더불어,바이오하이브리드 로봇은 환경 친화적이기도 하다. 더욱이, 오지에서 일하는 과학자들의 경우, 현지 재료로 로봇을 만들 수도 있고, 소량의 균사체를 현지로 가져와 대량으로 재배할 수도 있습니다. 이것은 그들에게 큰 편리함을 가져다 줄 것입니다.
그러나 "pleurotus eryngii 로봇"에도 몇 가지 단점이 있습니다. 연구자들은 균사체가 보내는 신호가 시간이 지남에 따라 변한다는 것을 발견했습니다. 그들은 감지했다전기 신호가 점점 약해집니다, 그리고 해상도 제한으로 인해 높은 샘플링 속도에서 이러한 약한 신호를 캡처하기가 어렵습니다. 또한, pleurotus eryngii의 균사체는 불멸의 존재가 아닙니다.생명에도 한계가 있다. 이러한 로봇의 수명을 연장하려면 신호 증폭을 위한 새로운 시스템을 개발하고 균사체 모듈에 포자와 영양분을 다시 주입하여 다시 자랄 수 있도록 해야 할 수도 있습니다.
자외선 조사 후 pleurotus eryngii 균사체가 조종하는 자동차 로봇이 빠르게 전진했습니다. (영상 출처: 원본 논문)
사실, 과학자들은 이 작업 이전에 이미 바이오하이브리드 로봇에 대한 많은 시도를 했습니다. 예를 들어, 과학자들은 바이오하이브리드 로봇에 근육 조직을 사용하여 전기적 또는 화학적 신호를 통해 근육 조직의 수축을 유발하여 로봇이 수영이나 걷기와 같은 동작을 수행할 수 있도록 했습니다. 일부 바이오하이브리드 로봇은 땀을 통해 내부 온도를 조절할 수도 있습니다.
평범한 사람들의 눈에는 이 과학자들이 로봇을 제어하는 방법을 바꾼 것뿐이지만 그들에게는 전혀 그렇지 않습니다.환경 신호, 로봇 및 생활 시스템을 연결합니다., 보이지 않는, 무형의 많은 신호를 로봇에서 실제로 발생하는 물리적 동작으로 변환합니다.
아마도 가까운 미래에 pleurotus eryngii가 "구동"하는 로봇이 천천히 여러분을 향해 걸어가는 모습을 보게 될 것입니다.
출처: 글로벌사이언스
