뱀의 초감각, 적외선 탐지기술은 어떻게 작동하나?

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아마존 밀림에 밤이 오면 뱀들은 먹이를 찾아 사냥을 나선다. 칠흑같은 어둠 속에서도 정확히 사냥감 포착에 성공한다. 이 놀라운 능력은 적외선 탐지라는 특별한 감각에서 비롯된다. 적외선은 인간의 눈으로 직접 볼 수 없는 전자기파로 파장이 0.75㎛ 이상인 빛이다. 보아과(애너콘다, 비단구렁이 등)와 방울뱀과(방울뱀, 부시마스터 등)뱀들의 신비로운 적외선 탐지 능력은 어떻게 작동하는 걸까?

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적외선 탐지기관의 구조와 원리

뱀의 적외선 탐지기관은 눈과 코 사이의 작은 구멍으로 이루어져 있으며, 이 내부에는 골지체가 위치해 있다. 이 골지체는 열에너지를 흡수하면 내부 공기를 팽창시키고, 이를 전기 신호로 변환하여 뇌로 전달한다. 이 과정은 0.002~0.003초 만에 이루어지며, 뱀은 0.003℃의 미세한 온도 차이도 감지할 수 있다. 이러한 정밀한 감지 능력은 체온이 주변 환경과 단 0.1℃만 차이나도 사냥감을 찾아낼 수 있도록 돕는다.

 

 

[사진=sciencedirect]

 

 

 

뇌와 연동된 정교한 신경 처리

감지된 적외선 정보는 뇌의 시상과 시각 피질로 전달된다. 시상은 여러 감각 정보를 통합하여 공간적 데이터를 시각적으로 재구성하며, 사냥감의 움직임과 위치를 정확히 추정한다. 또한, 뇌의 편도체와 보상 시스템은 감지된 데이터를 분석해 사냥감의 이동 경로와 속도를 예측하며, 최적의 공격 타이밍을 결정한다. 이 과정은 신속하게 이루어지며, 사냥 실패를 최소화한다.

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뱀의 피트 기관은 양쪽에 위치해 있어 적외선 신호의 입사 각도를 비교하고, 이를 통해 사냥감의 거리와 방향을 계산한다. 이는 인간의 양안시차 원리와 유사하다. 움직이는 사냥감의 열 신호 변화는 실시간으로 분석되며, 뱀은 이를 기반으로 먹잇감의 위치와 속도를 정확히 추적한다.

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뱀의 적외선 감지와 신경 처리 시스템은 어두운 환경에서 사냥감을 효과적으로 포착하도록 진화한 생존 전략이다. 이 시스템은 야간 사냥이 필요한 환경이나 사냥감이 위장술을 사용하는 경우에도 뱀이 우위를 점할 수 있도록 돕는다.

 

 

[사진=americanscientist]

 

뱀을 모방한 인간의 적외선 탐지기술

인간의 뱀의 적외선 감지 시스템과 신경 처리 메커니즘을 모방한 적외선 센서를 개발해 활용 중이다. 인간은 적외선 형광물질을 활용한 야간투시경이나, 적외선을 열 신호로 변환하는 열화상 카메라를 사용한다.

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야간투시경은 적외선을 가시광선으로 변환해 어두운 환경에서 시야를 제공해 군사, 의료, 환경 모니터링, 재난 구조 등에 광범위하게 사용된다. 열화상 카메라는 온도 분포를 시각화하여 의학 진단에서 염증이나 혈류 이상을 탐지한다. 공장의 설비 과열 부위를 찾아내 사고를 예방하기도 한다.

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하지만 이같은 인간의 기술은 뱀의 초감각에는 미치지 못한다. 뱀은 주변 환경과 단 0.1℃ 차이만 나도 사냥감을 즉시 찾아내 탐지할 수 있기 때문.

그럼에도 기술 발전을 위한 시도는 계속되는 중이다. 적외선 탐지 기술은 고감도 센서, 나노기술, AI 융합 등으로 진화하고 있다.

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2022년 12월, 한국과학기술원(KAIST) 연구팀은 콜로이드 양자점을 활용해 기존보다 85배 더 많은 전자를 생성하는 기술을 개발, 적외선 신호를 증폭하여 기존보다 수만 배 높은 민감도를 제공하며 기술의 한계를 뛰어넘었다. 이는 야간 주행, 양자컴퓨팅, 고해상도 감시 카메라 등 첨단 산업 분야에서 활용된다.

 

2023년 6월 아이쓰리시스템은 비냉각 적외선 검출기 기술을 개발했다. 냉각 장치 없이도 높은 안정성과 민감도를 유지하는 기술로 비용 절감이 가능해지면서 보안용 열화상 카메라, 건축물 검사, 자율주행차 충돌 방지 시스템 등을 상용화하고 있다.

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