로봇 물고기를 이용해 포식자-피식자 관계를 규명하는 연구가 진행되고 있다.

과학전문매체 ‘phys.org’에 따르면 뉴욕대 공과대학(New York University Tandon School of Engineering)의 연구팀이 로봇 물고기의 도움을 받아 동물 세계에서 포식자와 피식자간의 인과 관계에 대한 통찰력을 얻는 연구를 진행 중이다.

뉴욕대 공대 기계항공우주공학 교수인 마우리지오 포르피리(Maurizio Porfiri)가 이끄는 연구팀은 정보 이론을 이용해 포식자-피식자 상호 작용을 연구했으며 최근 그 결과를 미국물리학회(American Institute of Physics)의 '혼돈: 비선형 과학의 학제간 저널'에 게재했다.

논문은 "정보 이론과 로보틱스가 포식자-피식자 상호 작용 연구에서 만나다"는 제목을 달고 있으며 포르피리를 비롯해 방문 연구원이자 수석 저자인 다니엘레 네리(Daniele Neri), 뉴욕대 공대 역동시스템 연구소 매니저인 톰마소 루베르토(Tommaso Ruberto), 공대 학부생 가브리엘레 코드-크루즈 등이 작성했다.

연구팀이 상호작용과 인과 관계의 통제된 실험에서 활용한 것이 로봇 물고기다. 포르피리는 "완전히 다른 결과가 도출되는 포식자와 피식자라는 두 개체의 맥락에서 로봇 공학은 전이 엔트로피 개념을 검증해 인과 관계를 발견하고 생물학적 질문에 해답을 얻을 수 있는 도구를 제공한다"고 말했다.

그는 "우리가 궁극적으로 이해하고자 하는 질문은 포식자와 피식자를 함께 놔둘 수 있다면 그들이 서로 어떻게 영향을 미치는지, 피식자의 출현으로 인해 포식자의 행동이 어떻게 변화하는지, 또 포식자의 출현이 피식자의 반응을 어떻게 바꾸는지 등을 파악하는 것이다"고 덧붙인다.

정보 이론과 로봇 공학의 만남

두 개체 간 정보 전달을 검사하는 전이 엔트로피는 신경 과학 및 경제와 같은 분야에서 널리 적용되고 있지만 최근에는 동물 행동을 연구하기 위한 도구로 부상하고 있다. 이 논문에 자세히 설명된 연구는 로봇 공학과 전이 엔트로피의 결합을 통해 포식자-피식자의 상호 작용 분석에서 새로운 통찰력을 제공하는 것은 물론 공포와 불안에 대한 이해를 높이는데 목적이 있다.

▲ 붉은 호랑이 오스카

▲ 붉은 호랑이 오스카 로봇

이전 실험에서 포르피리 연구팀은 동물 행동 실험을 위한 로봇 자극의 타당성을 보여 주었다. 제브라피시(인도 서식 담수어의 일종) 실험에서 이들 물고기는 실제 생물과 제브라피시 로봇 복제물 모두에 대해 동등한 반응을 보였다. 로봇 기반 플랫폼은 살아있는 동물만 사용하는 것에 비해 상호 작용을 조작하고 정밀하게 제어할 수 있는 이점을 제공한다.

▲ 제브라피시

최신 실험의 경우 연구팀은 살아있는 피식자인 제브라피시를 살아있는 '붉은 호랑이 오스카(red tiger oscar)'와 포식자 물고기 3D 버전에 함께 노출시켰다. 제브라피시는 실제와 로봇 포식자가 주위에 있는 경기장과 같은 설치 환경에서 자유롭게 수영했다. 사전 프로그래밍된 로봇은 역동적이고 사용자가 지정한 궤적을 따라 여행했으며 제브라피시의 반응을 유도하기 위해 살아있는 물고기의 전형적인 약탈 운동을 모방했다.

동물의 사회적 행동 진화에 대한 통찰력 제공

연구진은 로봇 복제물과 실제 포식자에 대한 제브라피시 반응을 추적했다. 로봇 자극으로부터 제브라피시 내에서 제어된 두려움 반응을 이끌어 냄으로써 전이 엔트로피가 로봇 복제물과 제브라피시 사이의 단방향 인과 관계를 어떻게 분리해내는지를 보여주었다. 다른 한편 연구팀은 살아있는 포식자를 실험하면서 제브라피시와 포식자 사이의 양방향 상호 작용을 발견했다. 각각의 행동은 다른 동물의 행동에 영향을 준다는 것이다.

혁신적인 로봇 플랫폼의 발전은 로봇 실험자가 향후 실험에서 실시간으로 제브라피시의 움직임에 반응하도록 엔지니어링하는 것을 포함하고 있다. 이는 연구원들이 로봇 포식자와 제브라피시 사이의 상호 작용을 더욱 잘 조작하여 제브라피시가 포식자의 행동을 유발할 수 있도록 하는데 목적이 있다.

포르피라와 연구팀은 미래의 연구에서 동물이 서로 어떻게 소통하는지에 대한 더 많은 정보를 제공하고 사회 행동의 진화적 측면에 대한 통찰력을 제공하고자 한다. 제브라피시는 물론 인간을 포함한 다른 동물 사이의 두려움과 불안 관련 반응을 이끌어내는 결정 요인을 제공하겠다는 희망을 피력했다.