박쥐 연구에 활용되는 I-PEX의 고성능 소형 커넥터
상황
“We are trying to better understand biological sonar so we can mimic it in our own devices.” Dr. Kloepper, Saint Mary’s College
매우 기지가 풍부한 연구팀과 고도의 기술에 의해, 자연계의 수수께끼가 또 하나 해명되려 하고 있습니다. 식물학 교수의 딸로서 태어난 인디애나주 노트르담에 있는 세인트 메리 대학의 생물학부 조교수 Laura Kloepper 박사는, 생체모방(biomimicry: 생물의 구조로부터 배운 것을 기술 개발에 활용하는 것)에 오랫동안 관심을 가지고 있었습니다. 특히 그녀는 박쥐나 돌고래가 집단적으로 생물학적 소나 또는 반향정위(echolocation)을 하는 능력을 어떻게 가능하게 하고 있는지를 이해하려고 합니다.
박쥐는 큰 무리로 비행하는 경우가 있지만, 과학적으로는 동시에 다수의 소나를 사용할 경우, 서로의 음파가 간섭해 소나 시스템을 '방해'하는 것으로 알려져 있습니다.
이 분야의 이해는, 자율주행차의 내비게이션, 악천후시의 차량 내비게이션, 시력 장애자를 위한 셀프 내비게이션, 소나나 레이더 등의 다양한 군사 용도 등, 폭넓은 분야에 도움이 되는 기술의 진보로 연결될 가능성이 있습니다.
그러나 박쥐들이 어떻게 이런 능력을 발휘하면서 집단으로 비행하고 있는지를 이해하기 위해서는, 박쥐의 무리 속에서 정확한 음성과 영상 기록을 취득하고 분석할 필요가 있었습니다. 밀도가 낮은 박쥐의 무리 비행을 기록할 경우 드론을 사용할 수도 있지만, 밀도가 높은 무리의 경우, 박쥐에게 위험을 주지 않고 데이터를 취득하기 위해서는 좀 더 창조적인 다른 접근이 필요했습니다.
옥스퍼드의 생물학자인 Graham Taylor와의 우연한 만남 이후, 구글이 주최하는 Science Foo Camp에서 Kloepper 박사는, 일몰 시에 동굴에서 일제히 튀어나오는 박쥐 무리와 함께 기록 장치를 장착한 훈련된 매를 띄워 기록하는 독특한 해결책을 제안했습니다. 노트르담 대학 전기공학과 이사 겸 학과장인 Bob Stevenson 박사, 뉴멕시코 매 사냥꾼 협회 회장인 Paul Domski 및 세인트 메리의 학생의 지원을 받고, 장치나 필드 조사를 실시하고 있습니다.
박쥐 떼와 함께 훈련받은 매를 완벽한 타이밍에 비행시키는 복잡함과 더불어 또 다른 주요 과제는, 매가 장비하는 장치의 총 중량이 매의 총 체중의 10%가 넘지 않도록 해야 한다는 것이었습니다.
문제 해결
"We are taking apart an off-the-shelf camera to adapt for flying on a hawk for my biological field research.” An email from Dr. Kloepper to I-PEX
연구팀은, 초음파 녹음 마이크와 고해상도 비디오 이미징 기기를 검토한 결과, 파나소닉 사의 HX-A5004K 웨어러블 액션 카메라를 적절한 후보로 좁혔습니다. 연구팀은 카메라의 무게를 대폭 줄이기 위해 유닛을 분해하고 개조해야 할 필요가 있었습니다. 카메라에 사용되고 있던 I-PEX의 커넥터 케이블을 커스텀으로 조정할 필요가 있어 I-PEX 커넥터의 지역 세일즈 매니저 Mark Ernstberger에게 연락을 취했습니다. 이렇게 연락을 받은 Mark와 I-PEX는 더 가볍고 더 효과적인 장비의 개발을 지원하게 되었습니다.
Mark에 의하면 「그들은, 카메라를 콘트롤러에 접속하기 위해서, 보다 짧고 가벼운 커스텀된 CABLINE®-UA II 케이블 어셈블리 40핀 타입을 필요로 하고 있었습니다. 커스텀 하네스를 제공하기 위해 회로도와 핀 배치를 확인하고 장치의 설치 면적을 소형화 할 필요가 있었습니다.」 I-PEX 클라이언트의 다양한 커스텀 빌드 지원을 하는데, 이는 그 중 가장 독특한 것 중 하나 였습니다. 태블릿이나 휴대전화와 마찬가지로 혁신적이고 슬림한 장치는, 데이터를 처리하면서 10분의 1의 중량을 달성했고, CABLINE®-UA II 커넥터에 의해서 접속된 고속 전송 기술에 의해 카메라는 매우 가혹한 사용에 직면하면서 매우 어두운 장소에서도 동작해, 고해상도의 영상 기록을 실현하였습니다.
연구팀은 Stevenson 박사의 지원을 받아 모든 오디오 및 스테레오 케이블의 변경을 포함하는 개조를 실시함으로써, 고해상도 카메라와 25~75kHz인 박쥐의 "콜" 주파수용 초음파 마이크를 탑재한 장치는 목표했던 헤드 유닛에서 10g, 백 어태치먼트에서 40g의 중량 기준을 달성하였습니다.
매의 비행을 저해하지 않기 위해 충분히 가벼우면서도, 대량의 데이터를 안전하게 기록할 수 있는 커스텀 장치를 마련한 Kloepper 박사팀은, 뉴멕시코주의 브라질 자유 꼬리 박쥐(Brazilian free-tailed bats)의 대규모 서식지로 향했습니다. 그리고 비행 중인 박쥐 떼로부터 매우 상세한 데이터를 입수하는 데 성공하였습니다. 이 귀중한 연구 데이터를 통해 Kloepper 박사팀은 박쥐가 무리 중 어떻게 소나의 간섭을 피하는지를 보다 잘 이해할 수 있게 되었습니다.
이번 연구는 적절한 허가와 모든 안전규제가 준수된 상황에서 실시되었으며, 전문가에 의해 육성되고 훈련된 매를 사용하였습니다. 매의 비행 자체는 짧게, 대개 4초 정도로 훈련되었고 먹이 보상에 의해 동기가 부여된 매는, 비행 중에 박쥐의 비행을 방해하려 하지 않았으며, 매나 박쥐가 위험에 처하는 일도 없었습니다.
그런 가운데 사용된 경량 장치들은, 귀중한 오디오와 비디오 데이터를 기록하면서, 박쥐 떼를 지나는 매에 의한 반복된 비행을 처리하기에 충분할 정도로 견고하다는 것을 증명하였습니다. 나아가 장치와 실험을 통해 이 연구 분야에서 '호크 캠'이라는 새로운 용어가 만들어지게 되었습니다.
고도의 기술 장비, 기술자, 연구자, 박쥐, 매가 각자 잘 기능함으로 인해 이번 시도에서 필요한 개념 실증을 달성할 수 있었습니다. 연구팀은 질 높은 데이터를 수집하고, 향후 필드 조사를 위해 장치를 개선하는 방법을 알아낼 수 있었습니다. 이미 박쥐가 다른 박쥐와 겹치지 않도록 소리의 특성을 바꿀 가능성이 있다는 증거가 몇 가지 발견되었는데, 결론을 내려면 더 많은 연구와 주의 깊은 분석이 필요합니다. I-PEX팀도 계속해서 장치의 성능을 더욱 향상시키기 위한 협력을 해 나갈 것입니다.
Kloepper 박사에 대해서는, www.laurakloepper.net을 참조해 주십시오.
