Recently, several studies have been carried out on the direct control of behavior in insects and other lower animals in order to apply these behaviors to the performance of specialized tasks in an attempt to find more efficient means of carrying out these tasks than artificial intelligence agents. In this dissertation, we selected turtle and carp as the animal platform, and examined obstacle avoidance and escape behavior, which are one of the typical reactive behaviors, to control their moving path. Furthermore, we suggest novel remote guidance system that based on our research findings and also check operability and applicability of this suggested system through various tests. In the future, we expect that our technology will become an innovative framework for human-animal control systems.
최근, 기계 및 전자 그리고 생명공학 기술이 발달함에 따라, 동물을 로봇과 같이 활용하고자 하는 동물-사이보그 시스템 개발 연구들이 시도되고 있다. 현재, 기존 일부 선행연구에서는 곤충, 어류 및 설치류의 행동유도를 이끌어 내는 데에 성공하였으나, 대부분의 동물 조종방법은 뇌 또는 근육에 침습적인 방법을 이용하여 전기자극을 부여함으로써 동물의 움직임을 강제적으로 제어하는 방식으로 이루어 진다. 하지만, 이러한 방법은 지속적인 조종이 힘들뿐만 아니라 조종되는 동물의 생명에 극심한 피해를 입히는 한계점을 가진다.
본 논문에서는 동물의 필수적인 행동요소인 장애물회피 및 탈출본능을 자극하여 동물의 자발적인 행동을 유도하는 비 침습적인 방법을 활용하여 동물의 이동경로를 제어할 수 있는 새로운 시스템을 개발하고자 한다. 본 조종 시스템은 안정성 및 지속성, 나아가 생명윤리적인 측면에서도 기존의 침습적 동물 조종방법과 비교하여 이점을 가진다.
먼저, 거북을 첫 번째 동물플랫폼으로 선택하여 다양한 행동생물학적 실험을 통한 행동패턴분석 실험을 실시하였다. 다양한 환경 및 조건에서 거북의 장애물 회피 본능을 자극하여 행동을 분석한 결과, 조종자가 원하는 방향으로의 거북의 이동경로를 제어할 수 있다는 결과를 얻을 수 있었다. 또한 수집된 실험데이터를 바탕으로 동물의 이동경로를 원격 제어할 수 있는 행동유발 자극장치를 설계하여, 실제로 조종자가 원하는 경로를 따라 거북을 원격에서 조종하는데 성공하였다. 또한, 한정된 실내실험 공간에서뿐만 아니라 다양한 외부변수가 존재하는 실외환경에서도 본 동물조종방법을 적용한 조종시스템이 적절히 작동됨을 실험을 통해 확인하였다.
나아가 시스템의 활용적 측면에서, 뇌-컴퓨터 인터페이스 (BCIs) 기술을 본 조종시스템에 적용하여 조종자가 자신의 생각만으로 조종플랫폼인 거북을 원격에서 조종할 수 있는 신개념 원격조종 플랫폼을 개발하였다. 본 개발된 새로운 시스템은 “인간 뇌파 작동 사이보그-거북(Human Brain Actuated Cyborg-turtle)” 이라고 부르며, 해당 시스템은 크게 조종자의 머리에 착용되는 뇌파 센서, 거북에 부착되는 원격 이동제어 장치, 그리고 거북의 현재 시야를 실시간으로 인간이 그대로 볼 수 있는 HMD로 이루어 지며, 다양한 실험을 통해 실제 야외환경에서도 정상적으로 운용이 가능함을 확인하였다. 추가적인 연구를 통해본 시스템을 더욱 개발한다면, 이를 활용하여 거북을 인간의 아바타와 같이 조종하여 재난 탐색 및 정찰과 같은 특정임무를 수행할 수 있을 것으로 기대되며, 이외에도 교육 및 레저활동 등 다양한 분야로의 활용이 가능할 것으로 기대된다.
마지막으로 본 조종시스템의 사용범위를 확장하여, 두 번째 동물플랫폼으로서 잉어를 선택하여 행동생물학적 실험을 실시하였다. 먼저, 잉어의 다양한 감각기관 중 이동경로를 선택하는데 주요한 역할을 하는 감각기관을 찾아내는 연구를 통해 시각감각이 가장 결정적인 역할을 한다는 것을 발견하였다. 본 감각을 통해 잉어의 장애물 회피 본능을 자극하는 실험을 실시하고, 추가적으로 진동자극을 부여하여 각 자극에 대한 잉어의 이동패턴을 분석하였다. 통계적 분석 결과, 시각과 진동자극을 같은 방향으로 자극하였을 때, 잉어의 회전이동이 크게 활성화 된다는 사실을 알 수 있었다. 대조적으로, 진동으로만 자극하였을 때는 명확한 행동패턴을 얻기 힘들었다. 따라서 잉어의 경우, 시각이 동시에 진동을 통한 주변의 수류변화가 동시에 이루어질 때 자신의 이동방향을 명확히 결정할 수 있다는 결론을 얻을 수 있었다. 본 연구결과를 활용하여 거북 원격조종시스템과 같은 잉어 조종시스템 또한 구축할 수 있을 것이라 기대된다.
향후 추가적인 연구를 통해, 거북과 잉어뿐만 아니라 다른 환경에서 서식하는 동물들 (비둘기, 쥐 등)로 조종 동물플랫폼을 확장할 계획이다. 또한, 다양한 행동생물학 실험을 통하여, 보다 정밀하고 신뢰성 있는 조종시스템을 구축하기 위한 연구를 진행할 계획이다. 그리고 BCIs 기술과의 접목과 같이, 다른 기술과의 융복합 연구를 통해 이전에 없던 새로운 원격 조종 플랫폼 개발을 시도할 계획이다. 이러한 연구를 통해 인간들은 다양한 종의 동물플랫폼들을 활용하여 다양한 경험과 정보들을 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
이런 수준의 기술에 도달하기 위해선, 우리는 아직 많은 문제들을 해결하여야 한다. 행동생물학적 실험을 토대로 설계되는 하드웨어를 바탕으로 본 장치의 통신, 방수, 소형화 그리고 항법장치 등 다양한 방면의 난관들을 해결하여야 하며, 이를 위해선 기계공학, 전자전기공학 그리고 생물학의 융복합적 연구가 필수적이다. 본 연구가 실제 상용화 된다면, 우리의 생활은 많을 변화가 생길 것 이다. 먼저 인간과 반려동물 간의 능동적인 교감을 통해 전에 없던 새로운 동물교감 시스템을 구축할 수 있을 것이다. 나아가 인간이 접근하기 힘든 환경 (심해, 창공, 사막 등등)에 서식하는 동물에 본 시스템을 적용하여 다양하고 흥미로운 정보들을 습득할 수 있을 것 이다. 특히 본 시스템을 국방 및 정찰 시스템에 도입한다면, 기존의 군사용 드론 및 로봇 시스템과의 협업을 통해, 탐사 및 정찰 시스템의 획기적인 발전을 이룰 수 있을 것이다. 본 연구를 통해 우리는 혁신적인 인간-동물 상호작용 시스템을 구축하는데 일조 할 수 있을 것이라고 생각한다.
