깡충거미 눈과 뇌 모방… 저전력 정밀 카메라 개발했다 [달콤한 사이언스]

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세줄 요약

• 깡충거미 눈·뇌 모방한 저전력 3D 카메라 개발
• 두 장의 초점 차 이미지로 깊이 실시간 계산
• 624㎽ 소비, 웨어러블·로봇·AR 활용 기대

르네상스 최고 공학자이자 예술가인 레오나르도 다 빈치가 “자연은 최고의 스승”이라고 말한 것처럼 과학기술계에서는 생물의 생태나 신체 구조를 모방하거나 영감을 얻어 문제를 풀거나 새로운 기술을 개발하는 ‘자연모사공학’ 연구가 활발하다. 연잎 표면 구조를 응용한 발수소재, 천장에 거꾸로 붙어있을 수 있는 게코 도마뱀의 발바닥에서 영감을 얻은 흡착 소재 등이 대표적이다.

미국 노스웨스턴대 컴퓨터과학과 연구팀은 깡충거미에서 착안해 에너지 효율이 극도로 높은 3차원(3D) 카메라 ‘스파이더캠’을 개발했다고 10일 밝혔다. 이 연구 결과는 3~7일 미국 덴버에서 열린 ‘IEEE 컴퓨터 비전 및 패턴 인식 학회(CVPR) 2026’에서 발표됐다.

대부분의 3D 카메라는 여러 시점에서 찍은 이미지를 비교하거나 빛을 쏴 반사를 측정하는 방식으로 깊이를 추정한다. 이런 접근법은 잘 작동하지만 상당한 연산 능력과 고가의 하드웨어, 추가적 에너지가 필요하다. 전력을 많이 사용하는 이미지 대조와 빛을 쏘는 데 드는 에너지 비용을 피하기 위해 연구팀은 깡총거미에서 영감을 얻었다.

점핑거미는 각 눈에 여러 겹의 망막을 가지고 있으며 각 망막은 서로 약간 다른 거리에 초점을 맞춘 영상을 포착함으로써 매우 정밀하게 깊이를 판단할 수 있게 한다. 이런 원리를 응용한 초정밀 3D 카메라가 개발됐다.

미국 노스웨스턴대 제공

깡충거미는 먹이를 잡거나 천적을 피하고 돌아다니기 위해 깡총거리며 뛴다. 사람은 눈에 망막이 하나 있지만 깡충거미는 여러 겹의 망막층을 갖고 있다. 각 망막층은 조금씩 다른 거리에 초점이 맞춰진 여러 이미지를 포착한다. 그러면 식물 씨앗보다 작은 거미의 뇌가 선명도 차이를 비교해 거리와 깊이를 판단한다.

연구팀은 깡충거미의 눈과 뇌를 모방했다. 맞춤형 카메라가 초점 설정을 약간 다르게 한 두 장의 이미지를 동시에 촬영하면 흐림 정도와 거리를 해석하는 맞춤형 알고리즘이 두 이미지 사이에서 가장자리와 질감의 선명도가 어떻게 달라지는지 분석하고 이 차이를 실시간으로 깊이 측정값으로 변환한다. 이번에 개발한 스파이더캠은 624㎽(밀리와트)의 저전력만 소비하면서 초당 32.5프레임으로 주변을 촬영해 깊이 지도를 찍을 수 있다.

‘스파이더캠’이라 불리는 3차원 카메라는 깡충거미가 정밀한 점프를 하기 전에 거리를 가늠하는 방식과 똑같이 깊이를 감지합니다. 이 카메라는 1W 미만의 저전력으로 실시간 3D 지도를 만들 수 있다. 이는 일반적인 야간등이 사용하는 에너지보다 적은 전력이다.

미국 노스웨스턴대 제공

연구진에 따르면 스파이더캠은 1W 미만으로 작동하는 첫 수동형 FPGA 기반 3D 카메라 시스템이다. 수동형 FPGA 기반 3D 카메라는 자체 발광 없이 자연광만으로 생물체의 눈처럼 원근감을 파악하고 그 과정에서 발생하는 막대한 시각적 연산을 맞춤형 반도체(FPGA)를 통해 지연 없이 실시간으로 처리하는 고성능 시각 매체를 의미한다.

연구를 이끈 에마 알렉산더 교수는 “이번에 개발한 스파이더캠 기술은 주변 환경을 가늠해야 하는 웨어러블 기기, 로봇, 드론 등 다양한 분야에 적응할 수 있을 것”이라며 “이번 기술은 전력이 제한된 야외 현장이나 물리적 세계와 상호작용하면서 주변 사물의 위치를 파악해야 하는 증강현실(AR) 분야에 특히 활용도가 높을 것으로 기대한다”고 말했다.

유용하 과학전문기자