젤리 바다 생물 제트 추진으로 로봇에 힘을 실어준다.

이는 효율적인 수중 차량을 위한 새로운 디자인에 영감을 줄 수 있는 특이한 종류의 운동이다.

수액은 밤에 바다 깊은 곳에서 표면까지 이동하는 해파리와 비슷하게 생긴 작은 생물이다. 특수 카메라를 사용하여 이동을 관찰하는 것은 연구자들이 거대 플랑크톤의 우아하고 조화로운 수영 행동을 포착하는 데 도움이 되었다.

"지구상에서 가장 큰 이동은 매일 밤 발생한다. 심해에서 표면으로의 플랑크톤 유기체의 수직 이동이다."라고 이번 연구를 주도한 오레곤대학교 오리건 해양생물학연구소의 생물학 부교수인 켈리 서덜랜드(Kelly Sutherland)는 말한다.

“그들은 새로운 유체 역학을 사용하여 매일 마라톤을 달리고 있다. 이러한 유기체는 심해를 효율적으로 횡단하는 로봇을 만드는 방법에 대한 영감을 주는 플랫폼이 될 수 있다.”

해파리와 비슷하게 생겼음에도 불구하고 수액은 통 모양의 물이 많은 거대 플랑크톤으로 물고기나 인간과 같은 척추동물과 더 밀접하게 관련되어 있다고 생물학 겸임 교수인 알레한드로 다미안-세라노(Alejandro Damian-Serrano)는 말한다. 그들은 해안에서 멀리 떨어져 살고 있으며 단독으로 살거나 식민지에서 활동할 수 있다고 그는 말한다. 군집은 최대 수 미터 길이의 사슬로 연결된 수백 명의 개체로 구성된다.

다미안-세라노는 "수액은 정말 이상한 동물이다."라고 말한다. “우리와 공통 조상은 아마도 뼈 없는 작은 물고기처럼 보였겠지만, 그들의 혈통은 그러한 특징을 많이 잃었고 다른 특징을 확대했다. 고독한 개체는 무성생식으로 개별 클론의 사슬을 번식시키고 함께 결합하여 군집을 만드는 모선처럼 행동한다.”

하지만 이 해양 생물의 가장 독특한 점은 연구원의 해양 탐험 중에 발견되었다. 바로 수영 기술이다.

하와이 카일루아코나 해안을 탐험하면서 서덜랜드와 그녀의 팀은 연구실을 수중으로 가져갈 수 있는 특수 3D 카메라 시스템을 개발했다. 그들은 높은 가시성 조사를 위해 다미안-세라노가 설명한 대로 "무한한 푸른색에 잠긴" 주간 스쿠버 다이빙을 수행했다.

그들은 또한 검은 배경을 통해 투명한 동물의 고대비 이미징이 가능한 야간 다이빙도 수행했다. 그들은 밤에 표면으로 이동하는 다양한 수액과 많은 광폭탄 상어, 오징어, 갑각류를 만났다.

이미징과 녹음을 통해 연구원들은 수영의 두 가지 모드를 발견했다. 짧은 군집이 나선형 축구공처럼 축을 중심으로 회전하는 곳에서는 긴 사슬이 코르크 따개처럼 구부러지고 휘어진다. 이를 나선형 수영이라고 한다.

나선형 수영은 생물학에서 새로운 것이 아니라고 서덜랜드는 말한다. 많은 미생물도 물 속에서 회전하고 코르크 마개를 뽑지만 살프의 움직임 뒤에 숨은 메커니즘은 다르다.

미생물은 머리카락 같은 돌기나 꼬리 채찍으로 물을 때리지만 수액은 제트 추진력을 통해 헤엄친다고 서덜랜드는 말한다. 그들은 인간의 목에 있는 것과 같은 수축하는 근육 밴드를 가지고 있어 몸의 한쪽에서 빨아들인 물을 펌핑하고 다른 쪽 끝으로 분출하여 추력을 생성한다고 다미안-세라노는 말한다.

연구원들은 또한 개별 제트기가 서로 다른 시간에 수축하여 전체 식민지가 쉬지 않고 꾸준히 이동하게 한다는 것을 발견했다. 제트기 또한 각도가 있어 회전과 코일 수영에 기여했다고 서덜랜드는 말한다.

“나의 초기 반응은 정말 경이로움과 경외감이다.”라고 그녀는 말한다. “나는 그들의 움직임을 뱀과 같고 우아하다고 묘사하고 싶다. 서로 다른 시간에 펄스를 발생하는 여러 장치가 있어 매우 부드럽게 움직이는 전체 체인을 만든다. 정말 아름다운 이동 방법이다.”

미생물 수영자로부터 영감을 받은 마이크로 로봇은 이미 존재하지만 이번 발견은 엔지니어들이 더 큰 수중 차량을 제작할 수 있는 길을 열었다고 서덜랜드는 말한다. 다미안-세라노는 이러한 효율적인 수영 선수를 모델로 하면 조용하고 덜 난류인 로봇을 만드는 것이 가능할 수도 있다고 말한다. 다중 제트 설계는 또한 연료 절약에 에너지적으로 유리할 수 있다고 그는 말한다.

미생물 외에도 플랑크톤과 같은 더 큰 유기체는 아직 이런 식으로 설명되지 않았다고 서덜랜드는 말한다. 바다 생물을 연구하는 서덜랜드의 새롭고 혁신적인 방법을 통해 과학자들은 나선형 수영이 이전에 생각했던 것보다 더 널리 퍼져 있다는 것을 깨닫게 될 것이다.

“답을 제공하기보다 더 많은 질문을 제시하는 연구이다.”라고 서덜랜드는 말한다. “이전에 설명되지 않았던 새로운 수영 방식이 있는데, 연구를 시작했을 때 우리는 그것이 어떻게 작동하는지 설명하려고 했다.

“그러나 우리는 이런 식으로 수영하는 것의 장점이 무엇인지와 같은 공개 질문이 훨씬 더 많다는 것을 발견했다. 얼마나 많은 유기체가 회전하거나 코르크 마개를 뽑을까?”

이 연구는 Science Advances에 게재되었다. 추가 공동저자는 루이지애나 대학 해양 컨소시엄, 사우스 플로리다 대학, 로저 윌리엄스 대학, 해양 생물학 연구소 및 프로비던스 대학 출신이다.

고든 앤 베티 무어 재단(Gordon and Betty Moore Foundation)과 해군 연구실(Office of Naval Research)이 이 작업을 지원했다.

출처: 오레곤 대학교 레일라 오카하타(Leila Okahata)