생체모방 로봇으로 멸종된 두족류를 부활시켜 유체역학적 안정성, 기동성 및 생활 습관에 대한 물리적 제약을 탐색합니다.

Jul 15, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 11287(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

바깥 껍질을 벗긴 두족류는 코일 모양의 편평나선형 소라를 갖고 있으며 수억 년 동안 생태학적으로 성공했습니다. 이 동물들은 생활 습관과 생태학적 역할을 제한하는 물리적 특성의 비교 가능한 차이를 반영하여 현저한 형태학적 차이를 나타냈습니다. 이러한 제약 조건을 조사하기 위해 자체 추진, 중성 부력, 생체 모방 로봇을 4가지 서로 다른 형태에 대해 3D 프린팅했습니다. 이 로봇은 노틸러스와 같은 추력을 생성하면서 가상 정수압 시뮬레이션을 통해 계산된 방향을 가정하도록 설계되었습니다. 압축된 형태는 유체역학적 안정성(코스팅 효율성)이 향상되었으며 뒤로 분사하는 동안 항력이 감소했습니다. 그러나 팽창된 형태는 수직 축을 중심으로 회전하는 동안 기동성이 향상되었습니다. 이러한 차이점은 유체역학적 안정성과 요 조종성 사이의 피할 수 없는 물리적 균형을 강조하며, 두족류 형태공간 전반에 걸쳐 다양한 기능적 이점과 생활 습관 제약을 조명합니다. 이러한 절충안은 최적의 소라 형태가 하나도 없음을 보여주며, 유선형이 아닌 형태를 포함하여 오랜 시간 동안 서로 다른 형태의 성공과 반복적 진화를 설명합니다.

화석 기록은 전 지구적인 대량 멸종으로 인한 갑작스러운 재앙부터 오늘날에도 계속되는 만연한 장애물에 이르기까지 환경 문제에 대한 생명체의 기능적 해결책이 어떻게 진화했는지를 기록합니다. 오랜 시간 동안 해양 동물은 물리적 환경을 탐색하기 위한 수많은 솔루션(예: 부력 관리, 수영 효율성 및 기동성1,2)을 개발하면서 이러한 문제에 직면해 왔습니다. 지난 5억년 동안의 기능 해부학에 대한 가장 포괄적인 거시적 화석 기록은 오늘날 바다에서 거의 사라진 동물, 즉 외부 껍질을 벗긴 두족류(외배엽류)에 속합니다. 오늘날 콜레오이드 두족류(예: 오징어, 문어, 갑오징어)는 지구 생태계와 인간 식단의 중요한 구성 요소입니다3,4. 오늘날의 작은 기여와는 대조적으로 외치류 두족류는 많은 고대 해양 생태계에서 영양 교환을 지배했습니다. 콜레오이드류는 가장 복잡하고 이동성이 뛰어난 연체동물 그룹으로 간주되지만, 지금까지 존재하는 대부분의 두족류(예: 암모노이드류 및 노틸러스류)의 가장 기본적인 수영 능력과 선택적인 이점은 미스터리로 남아 있습니다. 이 동물의 외부 소라들은 오랫동안 전 세계적으로 귀중한 표준 화석으로 사용되어 왔습니다5,6. 그러나 이러한 화석은 한때 살았던 화석의 생활 습관과 생태에 대한 중요한 통찰력을 제공할 수도 있습니다. 외부 소라가 각 내부 구성 요소(동물의 연체 및 부력 챔버)를 제한하여 다양한 정수압 특성(부력, 생활 방향, 안정성 및 방향 이동 효율성7,8,9,10,11)을 자세히 재구성할 수 있습니다. 더욱이, 소라는 다양한 운동 전략에 대한 기회 또는 패배를 결정하는 동물-환경 인터페이스를 형성했습니다. 지금까지 반세기가 넘는 집중적인 고생태학 연구를 통해 외부 소라 모양을 기반으로 외치류 수영 기회 또는 부족의 특성이 결정되었습니다10,12,13,15,16,17,18,19,20,21 ,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31. 형태를 생태학적 역할과 연결하는 강력한 계획은 거의 도달한 것처럼 보이지만 지나치게 단순화된 접근 방식은 이 동물들이 환경 위기와 일상적인 자연 선택으로 인해 부과된 문제에 대한 해결책을 어떻게 진화시켜 왔는지 모호하게 할 것입니다.

고대 두족류 수영 능력의 재구성이 승인되면 새로운 기술을 이용한 새로운 조사가 가능해졌습니다. 수십 년간의 실험과 계산을 통해 소라 형태와 유체역학 사이의 일부 1차 관계가 밝혀졌습니다. 첫째, 압축된 소라고둥과 낮은 소용돌이 노출(즉, 옥시콘)을 갖춘 가장 직관적이고 유선형 형태는 유체역학적 항력이 더 낮습니다(특히 난류 흐름 영역에서12,13,18,19,20,28,32,33). 이러한 형태는 일반적으로 더 높은 수영 속도에 도달할 수 있는 nekton24로 해석됩니다. 대조적으로, 팽창된 형태(즉, 구형원추)는 난류에서 더 높은 유체역학적 항력을 발생시키지만 더 작은 규모 및/또는 속도(즉, 더 낮은 레이놀즈 수13,19,20,32)에서 더 효율적일 수 있습니다. 최근 컴퓨터 시뮬레이션에 따르면 사문석(이전 소용돌이를 노출하는 형태)은 복잡한 측면 토폴로지에도 불구하고 옥시콘보다 더 많은 항력을 발생시키지 않는 것으로 나타났습니다. 따라서 소라의 인플레이션은 크기와 속도에 따라 달라지는 효율성에 대한 상충관계를 부과하는 것으로 보입니다. 전반적인 소라 기하학 외에도 여러 2차 유체역학 요인으로 인해 모양과 유체역학 간의 관계가 복잡해집니다. 추진 추력은 제트 지속 시간, 빈도 및 반복과 관련이 있습니다. 추진 효율성은 자세 및 제트 방향7,10,11,34,35,36의 정수압과 밀접하게 연결되어 있습니다. 미묘한 외부 모양 특징 - 용골; 배꼽 노출; 갈비뼈 또는 등뼈 장식37 - 전체 항력에 상당한 비선형 영향을 미칩니다23. 논리적인 주장과 집중적인 컴퓨터 시뮬레이션은 1차 및 2차 소라 모양의 다양한 조합이 운동에 대해 근본적으로 다른 유체역학적 기회를 유발할 수 있음을 시사합니다. 39. 제안된 특정 시나리오와 호출된 절충안 중 다수는 엄격한 정량화를 통해 새로운 관심을 불러일으키는 추론에 의존합니다. 외치류 두족류 유체 역학에 대한 엄청난 연구에도 불구하고, 서로 다른 소라 형태의 운동 잠재력이 생태학에 대한 1차 제어인지, 아니면 자연 선택의 피할 수 없는 목표인지 여부는 여전히 불확실합니다.