Navy seals

시야는 탁한 물속에서는 쓸모 없는 것이 되어버립니다. 이를 다루기 위해 돌고래는 진화한 소나를 가지고 있습니다. 그들을 먹잇감을 찾기 위해서 소리를 내고 그 메아리를 분석합니다. 하지만 모든 바다 포유류가 이를 가진 것은 아닙니다. 예를 들어, 물개는 소나가 없지만, 돌고래와 같이 효율적으로 먼 거리의 먹잇감을 찾는 것을 멈추지 않았습니다. 이는 몇 년 동안 연구가들이 현재 새로운 수중 감지기를 개발하기 위해 모사하려고 하는 수염 속에 비밀스러운 거짓말을 알아내기 전까지는 연구자들을 골치 아프게 하는 주젱였습니다.

물 속을 움직이는 물체는 그 물체의 후류에 작은 소용돌이를 만들어냅니다. 이 흔적은 Karman vortex street라고 불립니다. 그리고 그것이 물개가 그들의 수염을 이용하는 것과 연관되어 있습니다. MIT의 Michael Triantafyllou가 관찰한 바에 따르면 “당신이 잔점박이물범이 자유롭게 배에 매단 물고기를 쫓아가도록 하면, 30초 후에 라도 그들은 곧게 갈지 멤돌지, 지그재그로 갈지 그 정확한 길을 쫓아갑니다.”

MIT의 해양공학센터의 Triantafyllou 박사와 그의 동료들은 어떻게 물개가 그런 행동을 하는지 연구하는 그룹 중 하나입니다. 라이벌 팀인 Ben Calhoun이 이끄는 버지니아 대학교 팀과 산타 크루즈의 캘리포니아 대학이 연관된 로즈 아일랜드 뉴포트에 위치한 Naval Undersea Warfare Center Division과 Woods Hole Oceanographic Institution은 최근 그 문제에 대한 3년에 걸친 조사를 끝마쳤습니다. 또다른 프로젝트가 남한의 제주대 연구진과 클리블랜드 주립대 연구진에 의해서 진행되고 있습니다.

물개들은 청어와 같은 물고기들의 진로를 귀마개를 끼거나 눈이 보이지 않을 때도 알아낼 수 있습니다. 하지만 수염을 덮자 먹잇감들은 그들을 피해 다녔습니다. 물개 수염의 뿌리에는 아주 많은 신경 세포들이 있고, 이것은 사람의 손가락 끝만큼 예민합니다. 하지만 이것은 그들의 비밀의 전부가 아닙니다. 그들의 수염은 잘랐을 때, 간단하게 생각하는 것처럼 그 단면이 원형이 아닙니다. 그 대신 타원형의 단면을 가집니다. 게다가 그들의 수염의 표면은 정교한 물결 모양을 띠고 있습니다.

Oh my ears and whiskers!

이러한 복잡한 형태는 Triantafyllou 박사와 그의 팀에게 익숙한 모습입니다. 그것은 그들이 해안가의 가스 채굴 유정의 계류 라인에서 일할 때 발견한 것과 비슷한 모습을 하고 있습니다. 그 때 그들의 목적은 바람 속에서 전기줄이나 통신선이 소리를 내듯이 물이 세차게 흐를 때 그 선들이 물 속에서 진동하는 것을 막는 것이었습니다. Triantafyllou 박사는 유사점에 대한 자신의 의심을 물개 수염의 3d 확대 모델을 테스트 해 보았을 때 확신했습니다. 이것 또한 층류 해류(laminar flow current)속에서 진동하는 것에 실패했습니다. (그것은 그 안에 와류가 발생하지 않았다는 것입니다.)

모순적으로, 이런 층류에 대한 둔감함이 소용돌이(vortices)에 대한 민감성을 높힌다고 Tryantafyllou 박사는 밝혔습니다. 그와 그의 팀은 크게 만든 인공 수염을 물 속에 넣고 견인하여 수염 앞에 놓인 vortex street가 인공 수염의 움직임에 어떤 영향을 주는지 알아냈습니다. 그들은 모형 수염을 실제 수염이 그러하듯이 진행 방향의 가장자리에 두었습니다. 이것은 수염이 마치 칼날처럼 물 속을 가르게 했습니다. 해류는 마치 소용돌이들에 의해 만들어진 것처럼 수염의 오른쪽 방향에서 흘러 들어왔고, 힘은 수염의 평평한 면에 가해졌습니다. 이것은 수염이 스키 선수가 모굴을 타듯이 소용돌이의 가장자리를 이루도록 하여, 층류가 흐를 때와는 다르게 흔들리도록 하였습니다.

 움직이는 물체가 클수록 더 큰 소용돌이를 만들어냈고 진동의 진폭 또한 추격의 대상이 되는 물체의 크기에 따라서 달라졌습니다. 진동의 진동수는 물체의 속도에 따라 달라졌습니다. 가정하면 실제 수염에도 같은 일이 일어나는 것이고, 이것이 물개가 타겟을 쫓아갈 때 그 크기와 속도를 알게 해주는 것이었습니다.

 2016년, 싱가포르기술디자인 대학의 도움으로 덕에 Triantafyllou 박사는 일그러질 시 전기 신호를 내보내는 멤브레인에 인공 수염을 다는 것을 성공했습니다. 이 장치는 물의 매우 섬세한 움직임에도 민감하게 반응했습니다. 그 다음 단계는 이 전기 신호가 의미하는 것을 알아내는 것입니다.

그것이 바로 버지니아 대학의 Calhoun 박사의 도전이었으며 그는 이미 여기에 착수했습니다. 그와 그의 동료들은 훈련 받은 물개들을 고용하여 그들의 수염에 기록계를 붙였습니다. 그들은 매우 간단한 물건을 쫓더라도 이것이 여러가지 타입의 진동들을 물개의 수염에 일으킨다는 것을 찾았습니다. 그리고 물개들은 여러 개의 수염을 가지고 있습니다.

물개의 뇌는 이 인풋들을 모두 감각으로 만들 수 있습니다. Troantafyllou 박사는 이와 같이 인공지능을 사용할 수 있길 바랍니다. 그와 그의 동료들은 딥 러닝이라고 불리우는 AI의 어떤 형태를 이용하였습니다. 이 일은 소프트웨어를 배열된 인공 수염들로 들어오는 수천개의 서로 다른 인풋들에 맞게 훈련시키는 것과 연관이 있습니다. 한 번 훈련되면, 그 소프트웨어는 데이터에서 패턴을 찾아내고 어떻게 운동하는 물체의 형태와 크기 속도를 알아내는지 배울 것입니다

Triantafyllou 박사의 팀의 목적은 수중 로봇을 위한 수염을 기반으로 한 센서를 만드는 것입니다.  이것은 물고기나 수중 포유류와 같은 자연물이나 다른 로봇이나 배, 잠수함과 같은 인공물의 후류를 감지해낼 것입니다.

그리고 당연하게도 미군 역시 여기에 대해 큰 관심을 두고 있습니다. Naval Undersea Warfare Center와 같은 연구팀은 해군연구청(Office of Naval Research)의 지원을 받고 있습니다. 해군은 이 소용돌이 센서를 잠수함을 더 조용하고 소나로 더 찾기 힘든 잠수함들을 찾는데 이용하길 바랍니다. 잠수함들은 물고기들 보다도 더 큰 흔적을 남기며, 이 흔적들은 몇 시간 혹은 며칠 동안 남습니다. 이로 인해 수염달린 로봇들은 탐지 불가능한 잠수함들을 물개들이 청어 무리를 쫓듯이 쉽게 찾아낼 수 있을 것입니다.

소용돌이 감지기는 민간 분야에서도 쓰일 수 있습니다. 동적 감지기는 난류를 재는데에 쓰일 수 있을 것입니다. Triantafyllou 박사가 관찰한 시스템처럼 2010년 멕시코 만에서 일어난 딥워터 호라이즌 호 석유 유출 사고와 같은 일에서도 유용하게 쓰일 수 있을 것입니다. 소용돌이 감지기는 퍼져나간 석유의 흔적의 지도를 만들어 석유가 어느 방향으로 흘러갈지 예측하는데 도움을 줄 것입니다. 또한 이 응용들이 해양 분야에만 적용되는 것 또한 아닙니다. 적절한 센서는 파이프 속을 난잡하게(turbulently) 흐르는 액체나 비행기 날개 표면을 흐르는 공기의 흐름을 측정하는데에도 도움을 줄 것입니다.

 소용돌이 센서를 공기 중으로까지 확장시키는 것은 또다른 동물학적 유추를 가져왔습니다. Nightjar(이것은 확정된 이름이 아닙니다), 나방과 같은 날아다니는 곤충들을 먹잇감으로 합니다. 이 전의 가정들은 그 새들이 특히나 좋은 야간 시야를 가지고 있다고 해왔습니다. 하지만 그들이 가진 것을 보면, 그들은 부리에 배열된 수염들을 가지고 있습니다. 현미경을 가져올 시간이 있다면 그 수염의 모양이 정확히 어떤지 알 수 있을 것입니다.