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▲ 새 눈의 구조와 특징 새 눈은 깊고 좁은 모양의 중심와를 가지고 있으며, 눈으로 들어온 빛은 중심와에서 굴절된다. 이로 인해 확대된 상이 망막에 맺혀 물체가 확대되어 보인다. 또한 중심와 아래에는 높은 밀도로 분포된 원추세포가 존재하여 멀리 있는 물체를 선명하게 인식할 수 있다. 새 눈의 원추세포는 네 종류로 적색, 녹색, 청색 및 자외선을 감지할 수 있으며 이를 바탕으로 복잡한 환경에서 물체를 더욱 효과적으로 인식할 수 있다. ⓒ IBS 제공
수킬로미터(㎞) 떨어진 곳에서 움직이는 먹잇감을 포착하는 하늘 위의 포식자 독수리의 눈을 닮은 새로운 카메라가 개발됐다.
기초과학연구원(IBS, 원장 노도영)은 30일 IBS 나노입자 연구단 김대형 부연구단장(서울대 화학생물공학부 교수) 연구팀과 송영민 광주과학기술원(GIST) 교수팀이 공동으로 '새 눈의 구조와 기능'을 모방한 물체 감지 특화 카메라를 개발했다고 밝혔다.
기초과학연구원은 "동물의 눈은 서식지와 생존환경에 맞게 최적화돼 있는데, 독수리와 같은 조류의 눈은 높은 나무 위에서 서식하는 생존환경에 맞춰 망막에 깊고 좁은 모양의 '중심와(Fovea)'가 존재하도록 진화했다"면서 "깊고 좁은 중심와는 멀리 있는 물체를 확대해 보기 유리하게 만든다"고 개발 배경을 소개했다.
참고로, '중심와'는 망막에 존재하는 작은 함몰 부위를 말하며 사람의 눈에도 존재한다. 하지만 새의 눈에 존재하는 중심와와는 달리 넓고 얕은 모양이기 때문에 빛이 거의 굴절되지 않아 물체가 확대되지 않는다.
이어 기초과학연구원은 "새 눈의 중심와에는 색을 감지하는 원추세포가 높은 밀도로 분포되어 있어 물체를 더욱 선명하게 인지할 수 있고, 사람의 눈은 가시광선(적색, 녹색, 청색)만 감지할 수 있는 반면, 새의 눈은 자외선도 감지할 수 있다"면서 "덕분에 새는 사람이 보지 못하는 시각 정보를 얻을 수 있으며, 복잡하고 역동적인 환경에서도 물체를 효율적으로 인식할 수 있다"고 설명했다.
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▲ 연구진이 개발한 새 눈을 모방한 카메라의 모식도 및 측정 결과 IBS 연구진이 개발한 물체 감지에 특화된 카메라는 인공 중심와와 다중 파장 이미지 센서로 구성되어 있으며, 멀리 있는 물체를 선명하게 감지할 수 있으며 색 또한 구분하여 인식할 수 있다. ⓒ IBS 제공
이에 IBS 연구팀은 새 눈의 구조와 기능에서 영감을 받아 물체 감지에 특화된 새로운 카메라를 설계했다. 이번에 개발된 카메라는 '인공 중심와'와 '가시광선 및 자외선 감지가 가능한 다중 파장 이미지 센서(Multispectral image sensor)'로 구성된다.
우선, 송영민 GIST 교수팀과의 협업을 통해 새의 중심와 구조를 모방한 인공 중심와를 제작했고, 광학 시뮬레이션을 통해 이미지 왜곡 없이 멀리 있는 물체를 확대할 수 있는 최적의 디자인을 고안했다.
이후 우수한 전기적‧광학적 특성을 가진 '페로브스카이트(Perovskite)' 물질을 활용해 다중 파장 이미지 센서를 제작했다. 서로 다른 파장 영역을 흡수하는 4종류의 페로브스카이트 물질을 사용해 광센서를 제작한 뒤, 이를 수직으로 쌓아 올려 색 필터 없이 색을 구분할 수 있는 센서를 구현해냈다.
'페로브스카이트'란 크기가 다른 양이온(A, B)과 음이온(X)으로 구성된 ABX3의 결정 구조를 갖는 화합물로, 높은 전하 이동 능력과 빛 흡수성으로 광 변환효율이 높아 차세대 광반도체로 주목받는다고 한다.
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▲ 물체 감지 특화 카메라의 특징 및 응용 높은 곳에서 생활하는 새의 눈은 물체를 빠르고 정확하게 인식할 수 있도록 진화했다(a). 새 눈 구조를 모방해 개발한 새로운 카메라는 새와 유사한 환경에서 동작하는 드론 등에 응용될 것으로 기대된다(b). ⓒ IBS 제공
박진홍 IBS 나노입자 연구단 연구원(공동 제1저자)은 "우리 연구진은 다중 파장 이미지 센서 제작을 위한 전사(Transfer) 공정도 새롭게 개발했다"면서 "선행 연구에서 개발한 페로브스카이트 패터닝 기술과 결합해 필터 없이 가시광선뿐 아니라 자외선까지 감지가 가능한 센서를 완성할 수 있었다"고 설명했다.
보통 '줌 렌즈'를 사용해 물체를 확대하는 기존 카메라는 확대된 물체의 주변부는 인지할 수 없다는 단점이 있다. 이에 반해 연구진이 제작한 물체 감지 특화 카메라는 시야의 중앙부에서는 물체를 확대하면서 주변부 시야도 제공한다.
연구진은 "덕분에 두 시야의 차이를 바탕으로 물체의 움직임을 더 민감하게 감지할 수 있다"면서 "필터 없이 가시광선 및 자외선을 구분해 감지하기 때문에 시각 정보가 다양해지고, 공정비용과 무게가 절감되는 장점도 있다"고 강조했다.
나아가 연구진은 시뮬레이션을 통해 개발한 카메라의 물체 인지 및 움직임 감지 능력을 확인했다. 물체 인지 능력 측면에서 새로운 카메라(신뢰 점수 0.76)는 기존 카메라 시스템(신뢰 점수 0.39)보다 약 2배 높은 신뢰 점수를 나타냈다. 움직임의 변화율도 기존 카메라 시스템 대비 3.6배 증가하여 더욱 민감하게 움직임을 감지할 수 있음을 확인할 수 있었다.
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▲ 기존 카메라 시스템과의 성능 비교 기존 카메라 시스템(왼쪽)에 비해 물체 감지 특화 카메라(오른쪽)는 중심와 시야 물체를 확대하여 물체 인식률이 우수하다(위). 또한, 중앙부와 주변부 영역의 시야 차이를 이용해 물체의 움직임 변화를 더 잘 포착한다(아래). ⓒ IBS 제공
김대형 부연구단장은 "새의 눈은 높은 곳에서 비행하는 과정에서도 멀리 있는 물체를 빠르고 정확하게 인식하기 유리한 구조로 진화했다"면서 "우리 연구진이 개발한 카메라는 물체 감지 능력이 필요한 무인 로봇, 자율 주행차 등에 응용할 수 있으며 특히 새와 유사한 환경에서 작동하는 드론에서 장착 효과가 클 것으로 기대한다"고 전했다.
한편, 이번 연구 결과는 로보틱스 분야 세계 최고 학술지인 <사이언스 로보틱스(Science Robotics, IF 25.0)>온라인 판에 5월 30일(한국시각) 실렸다.
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