과학자들은 사이보그 곤충 무리를 제어하는 ​​기술을 개발했다

싱가포르 난양기술대학(NTU 싱가포르), 오사카대학, 히로시마대학의 과학자들은 사이보그 곤충을 위한 고급 군집 탐색 알고리즘을 개발했는데, 이 알고리즘은 곤충이 까다로운 지형에서 움직일 수 없게 되는 것을 방지합니다.

Nature Communications 에 게재된 새로운 알고리즘은 군집 로봇공학에서 상당한 진전을 나타냅니다. 재난 구호, 수색 및 구조 임무, 인프라 검사에 응용할 수 있는 길을 열 수 있습니다.

사이보그 곤충은 등에 작은 전자 장치를 장착한 실제 곤충입니다. 이 전자 장치는 광학 및 적외선 카메라, 배터리, 통신용 안테나와 같은 다양한 센서로 구성되어 있으며, 특정 작업을 위해 움직임을 원격으로 제어할 수 있습니다.

단일 사이보그 곤충의 제어는 2008년 NTU 싱가포르 기계 및 항공우주공학과의 Hirotaka Sato 교수에 의해 처음으로 시연되었습니다[1].

그러나 지진 생존자들이 널리 퍼져 있고 그들을 찾을 수 있는 최적의 시간이 72시간인 수색 및 구조 임무와 같은 작전에는 곤충 한 마리만으로는 부족합니다.

2021년[2]과 2024년[3]에 싱가포르의 Home Team Science & Technology Agency(HTX)와 Klass Engineering and Solutions의 Sato 교수와 그의 파트너들은 사이보그 곤충이 미래에 수색 및 구조 작업에 어떻게 사용될 수 있는지 시연했습니다.

새로운 군집 시스템에 관한 최근 논문에서는 리더-추종자 역학을 사용하는데, 여기서 한 마리의 사이보그 곤충이 그룹 리더 역할을 하여 다른 19마리를 안내합니다.

논문의 공동 책임 저자인 히로시마 대학의 Masaki Ogura 교수[4]와 오사카 대학의 Wakamiya Naoki 교수는 군집 제어 알고리즘과 컴퓨터 프로그램을 개발했고, NTU의 Hirotaka Sato 교수와 그의 팀은 사이보그 곤충 군집을 준비하고 곤충의 전자 배낭에 알고리즘을 구현했으며 싱가포르에서 물리적 실험을 수행했습니다.

과학자들은 실험실 실험 중에 새로운 군집 알고리즘에 여러 가지 이점이 있다는 것을 알아챘습니다. 사이보그 곤충이 더 자유롭게 움직일 수 있게 함으로써 사이보그가 장애물에 갇힐 위험이 줄어들었고, 근처의 사이보그도 갇히거나 뒤집힌 곤충을 구출하는 데 도움이 될 수 있습니다.

사이보그 곤충 무리가 작동하는 방식

이전 연구에서는 알고리즘을 통해 개별 곤충에 대한 자세하고 복잡한 지침을 제공하여 단일 사이보그나 집단을 제어할 수 있다는 사실을 보여주었는데, 이러한 접근 방식으로는 대규모 집단의 움직임을 조정할 수 없습니다.

새로운 방법을 사용하면 알고리즘이 먼저 리더 곤충을 지정한 다음 목적지를 알리고, 해당 리더 곤충의 제어 배낭이 그룹 내 다른 곤충의 배낭과 협력하여 무리를 안내합니다.

이러한 "투어 리더" 접근 방식은 곤충이 서로 도와 장애물을 극복하고, 한 마리의 곤충이 갇히면 움직임을 조정함으로써 떼가 역동적으로 적응할 수 있게 해줍니다.

사용된 곤충은 마다가스카르 히싱 바퀴벌레로, 등에 가벼운 회로 기판, 센서, 충전식 배터리가 장착되어 있습니다. 이 배터리는 바퀴벌레가 주변 환경을 탐색하고 목표 지점으로 밀어주는 자율 주행 시스템을 형성합니다.

이 사이보그들은 이동을 위해 전력 집약적 모터에 의존하는 기존 로봇보다 훨씬 적은 에너지를 소모합니다. 곤충의 다리는 배낭을 움직이는 데 필요한 이동을 제공하는데, 배낭은 작은 전기 자극을 가하여 곤충을 밀어 특정 방향으로 안내합니다.

곤충의 본능을 떼 제어 알고리즘과 결합하면 복잡한 지형을 탐색하고 환경 변화에 신속하게 대응할 수 있습니다.

실험 결과, 새로운 알고리즘을 적용한 결과 곤충을 밀어야 하는 필요성이 기존 방식보다 약 50% 줄어들어 곤충이 장애물을 독립적으로 탐색할 수 있고 곤충이 갇히거나 갇히는 문제도 해결할 수 있었습니다.

NTU의 사토 히로타카 교수는 이 기술이 수색 및 구조 임무, 인프라 검사, 환경 모니터링 등에 도움이 될 것으로 예상된다고 밝혔습니다. 좁은 공간과 예측할 수 없는 조건 때문에 기존 로봇이 효과적이지 못한 분야입니다.

"수색 및 검사 작업을 수행하려면 넓은 지역을 효율적으로 조사해야 하며, 종종 어렵고 장애물이 많은 지형을 조사해야 합니다. 이 개념에는 여러 개의 사이보그 곤충 무리를 배치하여 이러한 방해가 되는 지역을 탐색하고 검사하는 것이 포함됩니다. 사이보그 곤충의 배낭에 있는 센서가 수색 및 구조 임무에 참여하는 인간이나 인프라의 구조적 결함과 같은 표적을 감지하면 무선으로 제어 시스템에 경고할 수 있습니다." 사토 교수가 설명합니다.

사토 교수는 사이보그 곤충 분야에서 선구적인 업적을 이룬 것으로 유명합니다. 그는 이전에 그의 연구가 TIME 잡지의 2009년 50대 발명품 중 하나와 MIT Technology Review 의 2009년 10대 신흥 기술(TR10) 중 하나로 선정되었을 때 전 세계적인 인정을 받았습니다.

논문의 공동 책임 저자인 히로시마 대학 고등 과학 및 공학 대학원 마사키 오구라 교수는 "우리의 군집 제어 알고리즘은 복잡한 수색 및 구조 임무를 위한 사이보그 곤충 그룹을 조정하는 데 있어 중요한 돌파구를 나타냅니다. 이 혁신은 재난 대응 효율성을 크게 향상시키는 동시에 군집 제어 연구의 새로운 길을 열 잠재력이 있습니다. 이는 이론적 모델과 시뮬레이션을 넘어 실제 시나리오에서 효과적으로 수행되는 제어 방법을 개발하는 것의 중요성을 강조합니다."라고 말했습니다.

공동 책임 저자인 오사카 대학 정보 과학 기술 대학원 와카미야 나오키 교수는 "로봇과 달리 곤충은 우리가 의도한 대로 행동하지 않습니다. 그러나 곤충을 강제로 정확하게 제어하려고 하는 대신, 우리는 더 느긋하고 거친 접근 방식을 취하는 것이 더 효과적일 뿐만 아니라 알고리즘으로 설계하기 어려운 협력 행동과 같은 복잡한 행동의 자연스러운 출현으로 이어진다는 것을 발견했습니다. 이는 놀라운 발견이었습니다. 곤충의 행동이 언뜻 보기에 무질서해 보일 수 있지만, 우리는 여전히 생물의 정교하고 복잡한 행동에서 많은 것을 배울 수 있는 것 같습니다."라고 설명했습니다.

이들의 최근 발전은 실제 세계의 과제를 해결하는 데 있어 바이오하이브리드 시스템의 실용적인 잠재력과 글로벌 학제간 연구 협업의 중요성을 강조합니다.

앞으로 합동팀은 단순한 이동을 넘어, 대형 물체를 협력하여 운반하는 것과 같은 조정된 군집 행동을 가능하게 하는 알고리즘을 개발하는 것을 목표로 합니다.

또한 그들은 재난 지역에서 흔히 발견되는 잔해 더미를 포함한 야외 환경에서 실험을 수행하여 더욱 복잡하고 현실적인 시나리오에서 알고리즘의 효과를 검증할 계획입니다.

[1] Hirotaka Sato et al., "사이보그 딱정벌레: 이식 가능한 무테더 마이크로 시스템을 통한 곤충 비행 제어" , 2008 IEEE 21st International Conference on Micro Electro Mechanical Systems , 미국 애리조나주 투싼, 2008, pp. 164-167, doi: 10.1109/MEMSYS.2008.4443618.

[2] Chong, C. (2021년 12월 6일). 재난 현장에서 바퀴벌레를 생명을 구하는 사이보그 버그로 바꾸는 싱가포르 팀. The Straits Times.

[3] Sun, D. (2024년 4월 5일). MBS에서 열린 국토안보 행사에 전시된 싱가포르의 사이보그 바퀴벌레. The Straits Times.

[4] 히로시마 대학 대학원 첨단과학공학연구과 교수 오구라 마사키

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/01/250106133235.htm