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벌처럼 될 수 있을까?

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번역자: 한국어창조과학회 (creation.or.kr)

꿀벌(honeybees)들은 곡예비행사가 부러워할 만 한 놀라운 비행 민첩성을 가지고 있지만, 비행을 제어하는 항법 프로그램들은 불과 참깨 씨 크기의 뇌에 모두 내장되어 있다. 이러한 기술들은 캔버라에 있는 호주국립대학(Australian National University, ANU)의 전천후 벌-비행 연구시설(All-Weather Bee-flight Facility)에서 세밀하게 연구되고 있으며, 초소형 로봇 스파이 비행체와 무인 행성탐사 기구(probes)에도 사용할 계획을 세우고 있다.1

벌들은어떻게비행하는가?

벌들은 속도계, 자이로스코프(gyroscopes), 햇빛의 편광을 탐지하여 작동하는 새로운 개념의 나침반(compass), 수평면에서 기울어짐을 측정하기 위해 이용하는 자외선 센서, 7,000 여개의 육면체 홑눈(hexagonal (six-sided) facets)들이 모여 이루어진 두 개의 겹눈(compound eyes)을 가지고 있다. 이러한 홑눈들은 각기 렌즈와 빛을 탐지하는 세포들을 가진 초소형 튜브들에 연결되며, 각 튜브들은 각기 다른 방향들을 탐지하도록 조정되어 아주 넓은 지역을 관찰할 수 있다. 이러한 튜브는 육각형 모양이 이상적인 데, 마치 꿀벌집이 육각형 구조이듯, 최소 면적이면서도 구조적으로 단단하여 별도로 보강할 필요가 없으며, 영상을 탐지할 때 조금만 움직여도 다른 홑눈으로 관찰하게 된다.

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영상흐름

호주국립대학 연구자들은 벌들이 항법(navigation) 제어를 위해 움직임을 감지하는 방법을 사용하고 있음을 밝혀내었다. 무슨 뜻인가 하면, 빨리 달리고 있는 자동차나 기차를 타고 있다고 가정해 보자. 바로 가까이 붙어 있는 포스터 등은 빠르게 뒤로 지나가지만, 멀리 있는 물체들이나 구름 등은 아주 천천히 움직이며, 때로는 같이 움직이는듯 착각되기도 한다. 이렇게 움직이는 영상은 물체가 가까이 있으면 있을수록 빨라지는 데, 이런 것을 영상 흐름(optic flow)이라 불리고 있다.

터널 벽이 인공적으로 움직이는 터널 안에서 벌들이 비행할 수 있도록 하는 실험장치를 이용하여, 연구자들은 벌들이 영상흐름을 사용한다는 사실을 입증하였다. 벽면이 움직이지 않을 때, 벌들은 터널 한 가운데서 날고 있었는데, 이는 양쪽 벽면의 영상 흐름이 동일하기 때문이었다. 하지만 한쪽 벽면이 벌들이 비행하는 방향으로 같이 움직이기 시작하면, 벽면의 상대 속도는 떨어지기(느려지기) 때문에, 벌들은 느린 움직임으로 인식하게 되고, 이제 그 벽면이 멀리 떨어져 있는 것으로 계산하여, 그 쪽으로 방향을 트는 것이었다.

벌들은 그러한 영상 이미지 속도가 항상 일정한 값을 가지게끔 프로그램화 되어 있다는 것을 연구자들은 알게 되었다. 벽면이 벌들과 같은 속도로 움직이면, 벌들은 빨리 움직이고 있으면서도 천천히 비행하는 줄로 착각한다. 이것은 벌들의 비행에서는 매우 중요한 요인으로 작용하는데, 만약 넓은 공간에서는 빨리 움직이지만, 복잡한 공간에서는 천천히 날게 되고, 갑자기 한 쪽 면이 빨리 움직이면 방향을 틀게 되는데, 그것은 장애물이 매우 가까이 있다는 신호이기 때문이다.

이러한 영상 흐름은 벌들이 땅에 착륙하는 데에도 큰 도움이 되는데, 이는 일정한 각도로 땅에 가까이 근접할 경우, 영상 흐름 속도를 일정하게 줄이면 자동적으로 착륙 속도를 줄일 수 있기 때문이다. 따라서 이 방법을 이용하면 벌들은 속도나 고도를 알 필요가 없게되는 것이다.

꿀벌들은 또한 먹이가 있는 장소까지의 거리를 측정하는 데도 영상 흐름을 사용하였다.2 벌들은 먹이가 있는 장소를 발견하면 동료 벌들에게 그 장소를 알려주기 위해 특별한 흔들기 춤을 춘다.3 연구자들은 꿀벌들이 빠른 영상 흐름이 주어진 좁은 터널 속을 통과하게 하는 실험을 통해 이 사실을 알아 내었다. 그 벌들은 멀리 날아 왔다고 계산하게 되었고, 동료 벌들에게 잘못된 정보를 전달하게 되어, 동료 벌들은 먹이를 찾기 위해서 상당히 먼 거리를 비행하는 것이었다.

영상 흐름은 자연에서처럼 주변 환경의 영상 변화가 뚜렷하다면 완벽하게 작용하지만, 인공적인 환경, 즉 유리창이나 칠이 된 벽 주위에서는 실패한다. 이것은 벌들이 간혹 방향을 잃거나 이들 표면에 충돌하는 이유를 설명해주고 있다.

비행로봇

영상 흐름은 현대의 제어 시스템이 해결하지 못하는 문제를 해결할 수도 있을 것이다. 위성 위치확인 시스템(Global Positioning System, GPS)은 인공위성 지도(satellite mapping)에 의존하지만, 적군의 방해 전파로 무용지물이 될 수 있다. 또한 그것은 사전에 지도 정보가 탑재되어야만 가능하며, 목표물을 향해 충돌하는 적의 비행 물체를 멈추게 할 수는 없다.

화성 탐사 우주선인 패스파인더(Pathfinder)에 사용된 우주탐사기(space probe)는 더욱 취약한 데, 화성과 지구와의 거리가 1억9천만km나 되기 때문에 통신 신호가 전달되는 데에 11 분이나 걸린다. 따라서 그 로봇은 지구 통신소의 제어 하에 움직일려니 52m를 기어가는 데 30일이나 소요되는 것이다. 이렇게 탐사 로봇을 조종하는 데 시간이 걸리기 때문에, 크레바스 등에 빠지는 것과 같은 어려운 상황이 일어날 수 있다.

그러나 영상 흐름법이 이러한 탐사 로봇을 혼자서 조종하게 해줄 수 있을 것이다. 길이 1.5 m 중량 7 kg 의 시제 모형 헬리콥터에 영상 흐름 시스템을 탑재하여 한 곳에 비행하여 본 결과, 원격 무선 조종보다 훨씬 효과적이라는 성과를 얻게 되었다. 하지만 아직은 바람이 부는 계곡과 같은 곳에서 비행하려면 비행 제어 프로그램이 더욱 완벽하여야 하며, 실시간 계산을 위한 반도체 칩들이 전기를 적게 소모하여야 한다. 만약 벌들의 효과적인 비행을 본받을려면 현재보다도 100 배나 적게 전기를 소모해야 하고, 10 배나 적게 무게가 나가야 할 것이다.1

또한 현재의 시제 비행 로봇보다도 100 분의 1 정도의 길이와 10,000 분의 1 정도의 중량을 가지는 비행 로봇을 만들려면 갈 길은 요원하다. 현재의 기술로는 일반적인 기어와 도르래를 초소형화 할 때 움직임이 원활하지 않는 점도 문제이고, 이러한 구조물로 곤충의 공기역학적 움직임을 모방하여야 하는 데, 이것은 아주 어려운 일이다. 곤충들은 외골격인 근육들을 진동하여 날갯짓을 하는 데 공기역학적으로 아주 난해한 움직임이다. 또한 곤충들의 날갯짓은 매우 복합적인 것으로, 요구되는 양력을 얻기 위해서 기울기의 변화와 회전을 수반한다. 이러한 움직임에 대한 계산법(algorithm)은 이전에 곤충들의 날갯짓을 모방하기 위한 로봇 시뮬레이션 내에 프로그램된 적이 있다.4,5

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벌: 비행을위해디자인되었다.

일부 진화론자들은 이들 겹눈(compound eyes)은 좋은 설계자라면 사용하지 않았을 나쁜 디자인이며, 따라서 그것은 진화되었음이 틀림없다고 주장하고 있다. 그러나 조그만 비행 물체들에게는 영상 흐름법보다 더 효과적인 항해 시스템은 없다. 그리고 좋은 설계자라면 그러한 설계를 사용하지 않았을 것이며, 무작위적인 돌연변이와 자연선택이 이러한 구조를 만들었을 것이라는 주장은 단지 가설적인 추론일 뿐이며, 어떠한 과학적 근거도 없는 것이다. 또한 진화가 아니면 그 대안적인 설명은 오직 창조이기 때문에, 진화에 반대되는 증거는 창조를 가리키는 증거가 되는 것이다. 진화론자들은 창조론자들이 이런 말을 하면 이상하리만큼 거칠게 반응한다. 하지만 진화를 찬성한다는 증거들이 무너지게 될 때, 심각한 문제가 존재하게 되는 것이다.

최근의 분자생물학적 증거들은 겹눈들이 하나의 공통조상에서 진화되었다는 개념을 강력하게 거부하고 있다. 대신 그것들은 각기 다양한 독립적인 기원을 가진다는 사실을 가리키고 있으며, 이것은 한 분의 설계자에 의해서 개별적으로 창조되었다는 사실과 일치한다.6

이 글을 쓰고 있는 시점에 미국 오하이오주에서는 생명체들이 지적설계에 의한 것인지, 또는 지적설계를 과학으로 가르칠 수 있는 것인지에 대한 논쟁이 뜨겁게 일어나고 있다. 그러나 위에서 지적한 것처럼, 최고의 비행 로봇 전문가들도 벌의 항법 프로그램이나 벌의 뇌처럼 에너지 효율적인 칩을 설계하는 것에 근처에도 도달하지 못하고 있다. 따라서 벌은 우리들의 지적 능력을 뛰어넘으시는 전능하신 창조주에 의해서 정교하게 설교되었다고 믿는 것은 매우 합리적인 결론인 것이다.

참고 문헌및 메모

  1. Fox, D., Electric eye, New Scientist 171(2305):38–42, 25 August 2001. 텍스트로돌아 가기.
  2. Esch, H., Zhang, S., Srinivasa, M.V. and Tautz, J., Honeybee dances communicate distances measured by optic flow, Nature411(6837):581–583, 31 May 2001. 텍스트로돌아 가기.
  3. Doolan, R., 춤추기로 의사 전달을 하고 있는 벌들, Creation 17(4):46–48, 1995. 텍스트로돌아 가기.
  4. On a wing and a vortex, New Scientist 156(2103):24–27, 11 October 1997. 텍스트로돌아 가기.
  5. Insects: Defying the laws of aerodynamics? Creation20(2):31, 1998. 텍스트로돌아 가기.
  6. Oakley, T.H. and Clifford W. Cunningham, C.W., Molecular phylogenetic evidence for the independent evolutionary origin of an arthropod compound eye, Proceedings of the National Academy of Sciences USA 99(3):1426–1430, 5 February 2002. Their abstract says, ‘These results illustrate exactly why arthropod compound eye evolution has remained controversial, because one of two seemingly very unlikely evolutionary histories must be true. Either compound eyes with detailed similarities evolved multiple times in different arthropod groups or compound eyes have been lost in a seemingly inordinate number of arthropod lineages.’ 텍스트로돌아 가기.