물 위에서 움직이는 물벼룩 로봇 계산과 물체 조작

본 논문은 슬라임 몰드 Physarum polycephalum 의 플라스모디움이 물 표면이라는 저마찰 환경에서 어떻게 계산과 물체 조작을 수행할 수 있는지를 탐구한다. 연구자는 먼저 플라스모디움을 습한 종이 타월 위에서 배양한 뒤, 직경 20 mm와 90 mm인 페트리 접시 및 200 × 150 mm 크기의 플라스틱 용기에 물을 1/3 정도 채워 실험 장치를 마련하였다. 데이터 포인트는 5 ~ 10 mm 크기의 플라스틱 폼 조각으로 만들었으며, 이들 조각 위에 귀리 가루를 올려 영양소 원천으로 사용하였다. 일부 폼 조각은 바닥에 고정하고, 일부는 물 위에 떠 있게 하여 플라스모디움이 자유롭게 접근하도록 하였다. 실험 결과, 플라스모디움은 물 표면에 놓였을 때도 기존 고체 기판에서와 유사하게 의사돌기를 뻗어 영양소를 탐색한다. 초기 성장 단계에서는 나무 모양의 가지 구조를 형성해 넓은 영역을 샅샅이 조사하고, 영양소가 있는 폼 조각에 도달하면 그곳으로 연결되는 프로토플라즘 튜브를 형성한다. 시간이 지나면서 불필요한 가지는 수축하거나 사라지고, 최종적으로는 최소 비용의 스패닝 트리를 만든다. 특히 물 위에서는 튜브가 물 표면과의 접착력이 약해 자유롭게 움직일 수 있어, 튜브가 수축하면서 직선화되는 현상이 관찰되었다. 이는 두 개의 부유 물체를 연결했을 때 물체가 서로 끌어당겨지는 메커니즘으로 해석될 수 있다. 플라스모디움의 물체 조작 능력도 실험적으로 확인되었다. 가벼운 폼 조각을 플라스모디움 근처에 놓으면, 의사돌기가 그 조각에 닿아 물결을 일으키고, 물결의 반동으로 조각이 멀리 밀려난다(푸시). 반대로, 두 고정된 노드 사이에 부유 조각을 두고 한 노드에 영양소를 배치하면, 플라스모디움이 의사돌기를 통해 조각에 접근한 뒤, 영양소가 있는 노드와 연결된 튜브가 수축하면서 조각이 영양소 쪽으로 끌려간다(풀). 이러한 동작은 물체의 질량이 작고, 물 표면 장력이 충분히 작용할 때만 성공한다. 논의 부분에서는 물 위라는 선택이 물리적 마찰을 최소화하고, 플라스모디움의 대사산물과 폐기물을 지속적으로 제거해 장기간 실험이 가능하도록 만든 점을 강조한다. 또한, 플라스모디움이 감지·계산·이동·조작이라는 네 가지 로봇 핵심 기능을 자연스럽게 수행한다는 점에서 ‘아모르퍼스 로봇(amorphous robot)’의 생물학적 구현 가능성을 제시한다. 저자는 기존에 제안된 Kolmogorov‑Uspensky 저장 수정 기계에 ‘PUSH NODE’와 ‘PULL NODE’ 연산을 추가함으로써, 물리적 노드 이동을 포함한 기계적 연산이 가능하다고 주장한다. 색소에 대한 선호도 차이를 이용해 노드에 속성을 부여하고, 선택적 이동을 제어하는 방안도 제시한다. 하지만 연구에는 몇 가지 한계가 있다. 큰 용기에서는 공기 부피가 커 화학 구배가 불안정해 플라스모디움이 모든 영양소를 탐색하지 못하고, 불필요한 방향으로 의사돌기가 성장하는 현상이 나타난다. 또한, 두 물체를 직접 끌어당기는 실험은 성공하지 못했으며, 현재는 단일 물체에 대한 푸시·풀만 확인되었다. 따라서 물리·화학적 환경(예: 표면 장력 조절, 영양소 농도 분포)과 제어 메커니즘(예: 광 자극, 전기 자극)의 최적화가 필요하다. 결론적으로, 물 위에서 플라스모디움은 스패닝 트리 계산과 경량 물체 조작을 수행할 수 있음을 실험적으로 입증했으며, 이는 생물학적 물질을 이용한 분산형 로봇 시스템의 설계와 구현에 새로운 연구 방향을 제시한다. 향후 연구에서는 보다 정밀한 제어와 확장성을 확보해, 실제 로봇 플랫폼으로의 전환을 목표로 할 수 있을 것이다.