뇌 없이 수영하는 법

박테리아, 아메바, 심지어 혈액 세포도 할 수 있습니다. 이들은 모두 액체 속에서 목표 지향적으로 움직일 수 있는 능력을 가지고 있습니다. 게다가 중앙 제어 시스템(예: 뇌)이 없는 극히 단순한 구조에도 불구하고 이러한 움직임을 보입니다. 어떻게 설명할 수 있을까요? 빈 공과대학교(TU Wien), 빈 대학교, 그리고 미국 터프츠 대학교의 연구팀은 이러한 움직임을 컴퓨터로 시뮬레이션하여 중앙 제어 장치 없이도 수영 동작이 가능하다는 것을 보여주었습니다. 이는 미생물의 행동을 설명할 뿐만 아니라, 나노봇이 특정 방향으로 움직여 약물을 체내의 적절한 위치로 운반할 수 있도록 하는 데에도 도움이 될 수 있습니다.

중앙 제어 시스템 없이도 성공

"단순 미생물은 진주 목걸이처럼 여러 부분으로 구성되어 있다고 상상할 수 있습니다."라고 이번 논문의 주저자인 빈 공과대학교 이론물리학 연구소와 터프츠 대학교 앨런 디스커버리 센터의 베네딕트 하틀은 말합니다. "개별 부분은 서로 상대적으로 움직일 수 있습니다. 우리는 어떤 상황에서 이러한 움직임이 전체 유기체를 원하는 방향으로 움직이게 하는지 알고 싶었습니다."

중앙 제어 시스템, 즉 뇌나 최소한 신경 중추 같은 것이 있다면 비교적 간단합니다. 그러한 중추는 각 부위에 특정 명령을 내릴 수 있습니다. 이것이 어떻게 조화로운 움직임을 만들어내는지 이해하기는 쉽습니다.

하지만 단세포 생물은 자연적으로 신경 세포도 없고, 명령을 내릴 수 있는 중앙 처리 시스템도 없습니다. 그렇다면 어떻게 조화로운 유영이 가능할까요? 미생물의 각 부분이 모두 매우 단순한 규칙에 따라 행동한다면, 효율적인 유영으로 이어지는 집단 행동이 가능할까요?

컴퓨터로 시뮬레이션된 미생물

이 질문은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 조사되었습니다. 미생물은 서로 연결된 구슬 사슬로 모델링되었습니다. 각 구슬은 왼쪽이나 오른쪽으로 힘을 가할 수 있지만, 각 구슬은 바로 옆 구슬의 위치만 알고 있습니다. 유기체의 전반적인 상태나 더 멀리 있는 구슬의 상태에 대한 정보는 없습니다.

베네딕트 하르틀은 "이제 중요한 질문은 다음과 같습니다. 중앙 제어 장치 없이도 각 구슬이 개별적으로 따라 집단적인 수영 동작을 할 수 있는 제어 시스템, 일련의 간단한 규칙, 행동 전략이 있을까요?"라고 말합니다.

하틀은 컴퓨터에서 가상 미생물의 시뮬레이션된 부분인 개별 비드에 매우 간단한 형태의 인공지능, 즉 20~50개의 매개변수만 가진 작은 신경망이 탑재되었다고 설명합니다. "이 맥락에서 신경망이라는 용어는 다소 오해의 소지가 있습니다. 물론 단세포 생물에는 뉴런이 없습니다. 하지만 이러한 간단한 제어 시스템은 예를 들어 미생물의 특정 영역이 특정 운동을 수행하도록 하는 매우 간단한 물리화학적 회로를 통해 세포 내에서 구현될 수 있습니다."

이 간단한 분산 제어 시스템은 이제 최상의 유영 행동을 생성하는 가장 효율적인 '제어 코드'를 찾기 위해 컴퓨터에 적용되었습니다. 이 제어 시스템의 각 버전에서 가상 미생물은 시뮬레이션된 점성 유체에서 유영하도록 설정되었습니다.

베네딕트 하틀은 "이처럼 매우 간단한 접근 방식이 매우 강력한 유영 행동을 만들어내기에 충분하다는 것을 보여줄 수 있었습니다."라고 말했습니다. "저희 시스템은 중앙 제어 장치가 없고 가상 미생물의 각 부분이 매우 간단한 규칙에 따라 행동하지만, 결과적으로 효율적인 이동에 충분한 복잡한 행동을 보여줍니다."

생물학과 기술

이 결과는 매우 단순한 생물학적 시스템의 복잡한 행동을 설명하기 때문에 흥미로울 뿐만 아니라, 인공적으로 제작된 나노봇에도 흥미로울 수 있습니다. 안드레아스 쇠틀(빈 대학교)은 "이는 매우 간단한 프로그래밍으로 복잡한 작업을 수행할 수 있는 인공 구조물을 만드는 것도 가능하다는 것을 의미합니다."라고 말합니다.

"예를 들어, 물 속의 기름 오염을 적극적으로 찾아 제거하는 나노봇을 만드는 것도 상상할 수 있습니다. 또는 신체의 특정 위치로 자율적으로 이동하여 표적화된 방식으로 약물을 방출하는 의료용 나노봇도 만들 수 있습니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/05/250519131305.htm