멀리서 나는 냄새를 감지하는 작은 전자 코

 

공기 중의 냄새를 감지하고 개나 쥐만큼 효율적으로 냄새의 근원을 추적할 수 있는 로봇을 상상해 보자. 실현된다면 울창한 숲에서 작은 산불을 감지하고 지진 후 잔해에 묻힌 사람을 찾거나 심지어 트러플을 사냥할 수도 있다.

 

웨스턴 시드니 대학교의 연구의 목표는 이 인공 후각을 탐구하고 공기에서 환경에 대한 귀중한 정보를 얼마나 빨리 추출할 수 있는지 테스트하는 것이었다. 우리는 "후각 속도"가 포유류의 속도와 같거나 때로는 더 빠르다는 것을 보여준다.

해당 연구는 현재 Science Advances에 게재되었다.

 

복잡하고 유익한 냄새 풍경

동물은 냄새를 믿을 수 없을 정도로 빠르게 감지하며, 이러한 능력은 수백만 년에 걸쳐 생존 가능성을 최적화하기 위해 진화했다. 하지만 왜 그렇게 빠른 속도가 필요할까?

 

답은 냄새가 공기 중을 이동하는 복잡한 특성에 있다. 여러분이 생각하는 것과 달리 냄새는 냄새의 근원에서 감지되는 곳으로 이동함에 따라 점점 약해지는 것이 아니다.

 

대신 공기의 움직임은 냄새가 매우 짧고 시간이 지남에 따라 분산될 수 있는 불규칙한 깃털로 이동하는 매우 혼란스러운 환경을 만든다. 이러한 깃털은 바람 전단 및 분자 확산을 포함한 소규모 및 대규모 난류 공기 역학과 환경 경계 조건에 의해 형성된다.

 

이러한 냄새 깃털을 이해하는 것은 동물에게 매우 중요하다. 냄새를 잠깐 마주치면 귀중한 정보를 얻을 수 있다.

예를 들어, 이러한 냄새 폭발의 타이밍과 빈도를 분석하면 동물은 근원에서 얼마나 떨어져 있는지 추정할 수 있다. 동물이 두 가지 다른 냄새가 항상 함께 발생한다는 것을 알아차리면 그 냄새의 근원이 서로 가까이 있다는 것을 의미할 수 있다. 이러한 폭발의 농도 변화는 냄새 깃털의 크기와 분포를 암시할 수도 있다.

 

이러한 미묘한 단서는 동물이 음식을 찾을 곳, 포식자를 피할 곳 또는 짝을 찾을 곳에 대한 결정을 더 빨리 내리는 데 도움이 된다. 그러나 이 정보를 잠금 해제하려면 감각 및 신경계가 냄새 풍경의 이러한 빠른 변화를 포착하고 처리할 만큼 충분히 빨라야 한다.

 

동물과 기계의 후각 속도

동물이 냄새를 감지하고 반응할 수 있는 속도는 종에 따라 다르다. 메뚜기나 초파리와 같은 곤충은 불과 몇 밀리초 만에 냄새 신호를 처리하여 주변 환경으로 쉽게 이동하고 반응할 수 있다. 모기는 30밀리초만큼 짧은 이산화탄소 폭발을 감지할 수 있기 때문에 밤에 쉽게 당신을 찾을 수 있다.

 

포유류는 한때 후각이 더 느리다고 생각되었지만 최근 연구에서는 그렇지 않다는 것이 밝혀졌다. 2021년의 한 획기적인 연구에 따르면 쥐는 몇 밀리초 만에 혼합된 냄새와 분리된 냄새를 구별할 수 있다고 한다. 지난달에 발표된 논문에 따르면 인간조차도 60밀리초 간격으로 전달되는 다른 냄새를 구별할 수 있다고 한다.

 

광이온화 감지기와 같은 빠른 냄새 센서가 있지만, 너무 크고 전력 소모가 많으며 종종 로봇에 사용하기에 충분히 선택적이지 않다. 우리가 지금 개발한 장치는 이러한 격차를 메운다.

우리는 그것이 50밀리초만큼 짧은 순간에 냄새를 정확하게 식별할 수 있다는 것을 발견했다.

 

더욱이 그것은 초당 최대 40회까지 바뀌는 냄새 사이의 패턴을 디코딩할 수 있는데, 이는 쥐가 출처 분리 작업을 수행할 때 할 수 있는 것과 비슷하다. 즉, 우리 장치는 동물과 같은 속도로 "냄새를 맡을" 수 있다.

 

어떻게 했을까?

이 전자 코는 신용카드보다 조금 작은 다층 회로 기판에 구축되었다. 여기에는 여러 개의 금속 산화물 가스 센서와 온도 및 습도 센서가 장착되어 있다.

이 기기를 다른 기기와 차별화하는 것은 이러한 센서를 매우 빠르고 정확하게 샘플링하고 제어할 수 있는 고급 전자 장치와 맞춤형 알고리즘 및 처리 방법을 사용한다는 것이다.

냄새와 공기는 변화를 빠르게 감지할 수 있는 '전자 코'를 통해 흐른다. Dennler et al. / Science Advances, CC BY

 

센서는 표면의 산화막과 다양한 가스가 어떻게 반응하는지에 따라 전기적 특성을 변경하여 작동한다. 센서를 매우 반응성 있게 만드는 데 중요한 부분은 작은 감지 부위를 수백도까지 가열하는 것이다.

 

난류에서는 센서 온도가 변동하는 경향이 있어 냄새 감지 및 식별이 더 어렵다. 높은 수준의 정밀도로 온도를 지속적으로 측정하고 재조정함으로써 냄새의 사소하고 빠른 변화도 감지할 수 있는 매우 민감한 센서 반응을 얻었다.

 

또한 초당 약 20회 150°C와 400°C 사이에서 온도를 빠르게 전환하면 특정 냄새를 더 쉽게 식별할 수 있는 빠르고 독특한 데이터 패턴이 생성된다는 것을 발견했다. 이 접근 방식을 통해 장치는 놀라운 속도와 정확도로 냄새를 포착할 수 있었다.

 

응용 분야 및 영향

로봇에 빠른 냄새 센서를 장착하면 실시간으로 환경 신호를 감지하고 반응할 수 있다. 이를 통해 어려운 상황에서 보다 효율적인 탐색과 의사 결정이 가능해져 많은 유망한 응용 분야에 대한 문이 열린다.

 

예를 들어, 산불을 조기에 감지하면 기가톤 규모의 이산화탄소 배출을 줄일 수 있다. 위성과 비행기와 같은 기존 감지 방법은 화재가 상당한 규모에 도달한 후에야 화재를 감지한다. 숲 캐노피 아래나 구름 뒤에서 타오르는 화재는 완전히 놓칠 수 있다.

 

빠른 전자 코를 장착한 드론은 숲을 순찰하고 작은 연기 기둥을 식별한 다음 화재 근원을 향해 항해하고 위치를 파악하여 이를 바꿀 수 있다. 이를 통해 넓은 지역을 효율적으로 덮고 통제 불능 상태가 되기 전에 화재를 감지할 수 있다.

 

또 다른 중요한 응용 분야는 재난 대응에서 찾을 수 있다. 지진이나 건물 붕괴 후 생존자를 신속하게 찾는 것이 중요하다.

 

빠른 전자 코를 장착한 후각 로봇은 잔해에 갇힌 사람의 고유한 냄새 흔적을 감지하여 생명을 구하는 역할을 할 수 있다. 복잡한 환경을 빠르게 스캔하고 사람의 냄새 흔적을 식별함으로써 이러한 로봇은 기존 방법보다 더 빠르게 구조대를 희생자에게 안내하여 생존 가능성을 높일 수 있다.

 

그리고 트러플은? 어쩌면 언젠가는 로봇이 트러플을 캐는 돼지에게 경쟁심을 불러일으키며, 기술도 고급 식사에 대한 감각을 가지고 있다는 걸 증명할 수 있을지도 모른다.

글쓴이: Nik Dennler/ 컴퓨터 과학 박사 학위, 웨스턴 시드니 대학교