요즘 적용범위가 급격하게 늘고 있는 증강현실.

실제를 바탕으로 구현되는 증강현실은 그 자체만으로도 신기한데요.

그런데 증강현실에 나타나는 캐릭터를 사용자가 자유롭게 움직이고 변화시킬 수 있다면 어떨까요?

그것도 간단하게 스마트폰 앱으로 말이죠.

증강현실 속 캐릭터 실시간 조작기술 개발

현재 가장 널리 사용되는 증강현실 콘텐츠는 PC환경에서 특화된 저작 툴을 이용하거나 전문 프로그래밍 언어로 가상의 객체를 선택하고 조작해야합니다.

때문에 당연히 프로그램언어나 툴에 대한 전문지식이 필요하고요. 여기에 복잡한 과정과 만만치 않은 비용도 불가피하고요.

우운택 KAIST 교수(KI IT융합연구소 증강현실연구센터) 연구팀이 현실공간에 존재하는 가상 객체의 이동경로를 안경을 통해 간편하게 설정할 수 있는 기술을 개발했습니다.

이번에 개발한 기술의 핵심은 홀로렌즈 같은 투과형 증강현실 안경을 착용한 사용자가 스마트폰을 이용해 현실공간에서 직관적으로 동물같은 가상 객체를 조작하면서 이동경로를 실시간으로 설정 및 변경할 수 있다는 것인데요.

연구팀은 기존의 특수 입력장치 대신 자체 개발한 앱을 구동시켜 홀로렌즈가 부착된 안경형 디스플레이 장치와 연동하는 방법을 적용했습니다.

안경형 디스플레이기반 이동경로 저작 기술안경형 디스플레이기반 이동경로 저작 기술 개념도


개발한 앱은 스마트폰에 내장된 3축 자이로센서의 정보와 화면의 터치 상태를 입력된 정보와 결합하는데요.

이런 방식으로 가상현실 캐릭터를 선택하고나 크기를 조절할 수 있고, 또 캐릭터의 이동경로를 현실공간에 적용시켜 즉각 구현하는 것입니다. 

안경 기반 증강현실 콘텐츠 저작기술은 스마트 폰만 있으면 누구나 콘텐츠를 현장에서 직관적으로 저작할 수 있도록 지원하는데요.

향후 추가될 증강현실 저작 도구를 통해 누구나 포케몬과 같은 가상 캐릭터가 현실공간을 돌아다니며 상호작용하도록 만들 수 있고요. 

또 소셜미디어 등을 활용해 다양한 증강현실 경험을 타인과 공유할 수 있는 것도 가능해집니다.


안경형 디스플레이기반 이동경로 저작 기술' 을 활용하여 증강현실 환경을 구성하는 실제 화면안경형 디스플레이기반 이동경로 저작 기술' 을 활용하여 증강현실 환경을 구성하는 실제 화면


이번 연구는 유정민 연구교수가 제1저자로 참여했고요. 연구 결과는 최근 ‘한국 인간-컴퓨터 상호작용 학회(HCI)’에서 시연된 바 있습니다.

연구 논문은 ‘2017년도 국제 인간-컴퓨터 상호작용 학회(HCI International 2017)’에 발표될 예정입니다.



 용 어 설 명


투과형 증강현실 안경 디스플레이 

안경처럼 착용하여, 시야에 보이는 현실에 부가정보를 갖는 가상세계 혹은 가상객체를 합쳐 하나의 영상으로 보여주는 증강현실을 보여주는 디스플레이


가상객체 이동경로 저작 

현실공간에 배치된 가상 객체의 동적 움직임을 부여하기 위해 객체가 이동하는 경로를 설정하는 행위


연 구 개 요


1. 연구배경


○  현재 가장 널리 사용되고 있는 증강현실 저작은 PC환경에서 특화된 저작 툴을 이용하거나 전문적인 프로그래밍 언어로 가상의 객체를 선택하고 조작해야한다. 

○  이러한 저작 방법은 프로그램 언어나 툴에 대한 전문지식이 없는 사람들이 사용하기에 어려움이 있어, 일반 사용자도 현장에서 증강현실 안경을 쓰고 스마트폰을 이용하여 직관적으로 증강현실 콘텐츠를 저작할 수 있는 기술이 필요하다. 


2. 연구내용


○  KI IT융합연구소 증강현실 연구센터에서는 증강현실 체험을 위한 ‘안경형 디스플레이기반 가상 객체의 이동경로를 저작하는 기술’을 개발했다.

○  개발된 저작 기술은 홀로렌즈와 같은 투과형 증강현실 안경을 착용한 사용자가 스마트폰을 이용하여 현실공간에서 직관적으로 가상 객체를 선택하고 조작하면서 이동경로를 실시간에 저작할 수 있도록 지원하는 기술이다.  

○  개발된 기술의 특징은 별도의 특수한 입력장치를 사용하는 대신 스마트폰을 투과형 안경형 디스플레이 장치와 연동하여 가상 객체의 이동을 현실 공간에서 직관적으로 저작할 수 있게 하는 점이다. 

○  자체 개발한 앱을 일반 사용자들의 스마트폰에서 구동하면, 투과형 안경형 디스플레이 장치와 연동하여 3차원 마우스와 같은 입력장치로 사용할 수 있다. 사용자가 스마트폰 터치 스크린의 입력 정보와 내장된 3축 기울기 센서로 부터 획득한 스마트폰의 자세 정보를 이용하여 가상 객체를 선택/취소 하거나 크기 등을 조절을 하고, 가상 객체의 이동경로를 현실공간에 바로 설정하거나 수정할 수 있다. 

○  이러한 기능은 투과형 증강현실 안경을 착용하고 현실 공간에서 가상 객체의 이동을 직관적으로 저작할 수 있도록 하여 다양한 동적 증강현실 환경을 현장에서 바로 구성할 수 있도록 하는 핵심 기술이다.  

  

3. 기대효과

○  개발된 안경 기반 증강현실 콘텐츠 저작기술은 스마트 폰만 있으면 누구나 콘텐츠를 현장에서 직관적으로 저작할 수 있도록 지원한다.

○  향후 추가 개발될 증강현실 저작도구를 통해 누구나 포케몬과 같은 가상 캐릭터가 현실공간을 돌아다니며 상호작용하도록 만들고 또 소셜 미디어를 통해 다양한 증강현실 경험을 친구들과 공유할 것으로 기대한다.

○  누구나 쉽게 사용할 수 있는 저작도구는 다양한 증강현실 콘텐츠 즉각적 생산과 체험의 일상화를 가능하게 하며, 향후 새로운 증강체험 관련 산업의 형성과 관련 생태계구축 및 활성화에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.  


□ 우운택 교수


○ 소  속 : KAIST 문화기술대학원/ 

         KAIST KI ITC 연구소 증강현실연구센터  


□ 학    력

○ 1985 - 1989 : 경북대학교 학사

○ 1989 - 1991 : 포항공과대학교 석사

○ 1993 - 1998 : 미국 University of Southern California 박사


□ 경    력

○ 1991 - 1992 : 삼성 종합기술원 연구원

○ 1999 - 2001 : 일본 ATR 연구소 연구원

○ 2001 - 2012 : 광주과학기술원 교수

○ 2005 - 2012 : 광주과학기술원 문화기술연구소 소장

○ 2012 - 현재 : KAIST 문화기술대학원 교수  

○ 2014 - 현재 : KAIST 전기전자공학과 겸임교수  

○ 2016 – 현재 : KAIST KI ITC 연구소 증강현실연구센터 센터장


□ 대외활동

○ 2017 – 현재 : 대한전자공학회 증강휴먼연구회 위원장

○ 2008 - 현재 : 한국 컴퓨터그래픽스학회 부회장

○ 2010 - 현재 : 한국 정보과학회 CGI 소사이어티 부회장

○ 2011 - 현재 : 한국 차세대컴퓨팅학회 부회장

○ 2014 - 2016 : 한국 HCI 학회장 (현 명예회장)



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posted by 이재형 과학이야기

여기 아름다운 사람들이 있습니다.



이들은 섬을 찾아다닙니다.

여행이 아닙니다.

주민들이 엄두를 못내 보고만 있던 어마어마한 쓰레기를 걷어냅니다.

또 세상과 떨어져 숨어 있던 이야기를 캐어내 훌륭한 기록을 남깁니다.

이렇게 섬과 세상, 사람과 사람을 연결합니다.



그래도 한 번으로는 그저 여행일 수 있습니다.

그래서 그들은 한 섬에 최소한 세 번은 가야한다고 생각합니다.

섬의 구석구석을 돌아보며 조금이라도 더 알고 싶기 때문입니다.

주민을 한 명이라도 더, 한 번이라도 더 만나 마음과 마음을 연결하고 싶기 때문입니다.

이들은 섬청년탐사대입니다.


2월 27일 관매도에 상륙한 섬청년탐사대2월 27일 관매도에 상륙한 섬청년탐사대. 이번이 2차 방문.

이곳은 진도에서 다시 한 시간 넘게 배를 타고 가야하는 관매도입니다.

새벽길을 달리고 달려 한낮에서야 도착했습니다.



가져온 도시락으로 간단한 식사를 하고 숙소를 마련하자마자 쉴새 없이 이동을 시작합니다.

산책로가 오솔길이 되고, 길은 점점 좁아져 마치 무인도의 원시림을 지나는 것 같습니다.



마침내 성벽처럼 둘러진 절벽 사이로 해안이 보이는 곳에 도착한 이들, 그리고 눈 앞의 모습에 저절로 터지는 탄성들.  

사람이 찾아올리 만무한 이곳에 양을 가늠할 수조차 없는 해양쓰레기가 끝없이 펼쳐진 모습때문입니다.



인간의 부산물을 파도와 바람이 거부한 흔적. 

과연 저것을 맨손으로 다 치울 수 있을까?

생각도 잠시, 모두들 거대한 쓰레기더미 위로 올라가 자루에 담기 시작합니다.   



도저히 끝이 나지 않을 것 같은 작업.

가져온 자루가 동나도록 치웠지만 처음 그대로와 별반 다른 것 같지 않습니다.



하지만, 누구도 ‘이제 그만’이라고 하지 않습니다.

다시 수십 장의 자루, 이번에 더 커다란 자루가 왔습니다.



또 몇 시간이 흘렀을까, 조금씩 보이는 원래의 모습.

늘어나는 쓰레기자루만큼 해변의 기암과 모래가 제 자리를 찾습니다.



모두들 먼지를 옴팡 뒤집어썻지만 그들은 자기의 모습 대신 깨끗해진 섬을 보며 뿌듯함을 감추지 못합니다.

마침내 해질녘이 되어 그럴듯하게 돌아온 해변을 보는 사람들.



그들은 섬청년탐사대입니다.






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posted by 이재형 과학이야기

얼마 전 미국에서 군용 투명망토를 개발해 화제가 됐습니다.

시연 장면을 보면 투명망토를 뒤집어 쓴 저격수가 주변의 배경색과 흡사해 멀리서 볼 때 찾기가 쉽지 않았는데요.


미군이 도입한 투명망토 시연 그래픽 / 출처=KBS미군이 도입한 투명망토 시연 그래픽 / 출처=KBS


개인위장은 물론 크기에 따라 전차, 레이더 등의 장비 위장도 가능해 전술적 가치가 높을 전망입니다.

하지만 이 투명망토에도 치명적 단점이 있는데요. 바로 전력이 있어야만 투명 상태가 유지된다는 것입니다.

메타물질

투명망토가 실현 가능한 이유는 투명 기능의 근본 소재인 메타물질 때문입니다. 


투명망토의 소재인 메타물질의 작동 원리 / 출처=YTN투명망토의 소재인 메타물질의 작동 원리 / 출처=YTN


메타물질은 자연에서 발견되지 않는 특이한 광학적 성질을 얻기 위해 인위적으로 설계된 물질인데요.

이는 빛의 파장보다 짧은 구조물로 구성돼 투명망토나 고해상도 렌즈 제작에 활용되고 있습니다. 

그런데 메타물질의 변조된 광학적 특성을 유지하기 위해선 지속적인 자극, 즉, 전력이 공급돼야 하는데요. 전력이 소모되면 투명 상태도 사라지는 치명적인 약점을 갖고 있습니다.

메모리 메타물질

이를 극복할 수 있는 방법은 전력 공급이 멈춘 후에도 변조된 메타물질의 상태가 유지되는 것인데요. 이를 실현하는 소재를 메모리 메타물질이라고 합니다.

현재 세계적으로 연구가 진행되는 메모리 메타물질은 열적 자극에 의해 광특성이 조절되는 바나듐산화물 계열과 강한 광학적 자극에 의해 조절되는 저메늄-안티몬-텔루륨 등이 대표적인데요. 

바나듐산화물 기반 메모리 메타물질의 경우 상변화 온도가 60℃ 내외이기 때문에 고온 또는 열적으로 고립된 환경에서만 메모리 특성이 유지되고, 상온에서는 20분 정도만 가능합니다. 

KAIST가 개발한 상온 메모리 메타물질

KAIST 기계공학과 민범기 교수팀이 메타물질의 광학적 특성을 기억할 수 있는 메모리 메타물질과 이를 응용한 논리연산 메타물질을 개발했습니다.


메모리 메타물질의 구조도. 전극 배열(TTE), 강유전체, 그래핀, 메타원자, 폴리이미드 기판으로 구성되어 있고, k 방향으로 입사하는 빛의 전기장 (E)은 전극 배열과 수직임메모리 메타물질의 구조도. 전극 배열(TTE), 강유전체, 그래핀, 메타원자, 폴리이미드 기판으로 구성되어 있고, k 방향으로 입사하는 빛의 전기장 (E)은 전극 배열과 수직임


기존 보고된 메모리 메타물질은 고온에서만 기억되거나 부피가 큰 광학적 장치에 의해서만 동작 가능해 현실적 응용에 한계를 보였는데요.

연구팀은 메타물질에 그래핀과 강유전체 고분자를 접목시키는 방법을 개발해 이를 극복했습니다.

연구팀이 사용한 강유전체 고분자는 탄소를 중심으로 불소와 수소가 결합한 분자인데요. 이는 외부 전압의 극성에 따라 회전하는 성질을 갖게 됩니다.

이 강유전체 고분자는 상온에서도 안정적으로 변화 상태를 유지할 수 있고요 그래핀과 접촉돼 메모리 성능이 개선된 것이 특징입니다.


강유전체에 의해 그래핀에 비휘발적 도핑이 되는 모식도. 전기 음성도가 작은 수소(H)와 전기음성도가 큰 불소(F)로 이루어진 영구 쌍극자가 인가하는 전압 극성에 따라 정렬함.강유전체에 의해 그래핀에 비휘발적 도핑이 되는 모식도. 전기 음성도가 작은 수소(H)와 전기음성도가 큰 불소(F)로 이루어진 영구 쌍극자가 인가하는 전압 극성에 따라 정렬함.


또 초박형 상태로 제작할 수 있어 천과 같은 모양을 만들 수 있고요.

무엇보다 다중 상태의 기억이 가능하고, 빛의 편광 상태도 기억할 수 있는 것으로 연구결과 증명됐습니다.

KAIST가 개발한 논리연산 메타물질

연구팀은 메모리 메타물질의 원리를 응용해 논리 연산이 가능한 논리연산 메타물질도 함꼐 개발했습니다. 

이 논리연산 메타물질은 단일 입력에 의해서만 변조 가능했던 기존 메타물질의 단점을 해결한 것인데요.

그래핀으로 두 개의 강유전체 층과 샌드위치 구조를 가진 메타물질을 제작하고, 두 전기적 입력의 논리연산 결과가 광학적 특성으로 출력되게 만든 구조를 활용했습니다.

이를 통해 다중 입력에 의한 조절이 가능해져 메타물질의 특성을 다양하게 변화시키거나 조절할 수 있는 방법론을 제시했습니다.


투과도의 다중상태 (00, 01, 10, 11)의 메모리 특성투과도의 다중상태 (00, 01, 10, 11)의 메모리 특성


이번 연구는 메모리 메타물질을 통해 저전력으로 구동 가능한 초박형 광학 소자 발전에 큰 역할을 할 것으로 기대됩니다.

한편 이번 연구에는 KAIST 기계공학과 김우영 박사와 김튼튼 박사, 김현돈 박사과정이 1저자로 참여했고요. 연구결과는 과학전문지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 2016년 1월 27일자 온라인 판에 게재됐습니다. 

(논문명 : Graphene-ferroelectric metadevices for nonvolatile memory and reconfigurable logic-gate operation)


 용 어 설 명


그래핀(graphene)

탄소의 동소체 중 하나이며 탄소 원자들이 모여 2차원 평면을 이루고 있는 구조로써, 각 탄소 원자들은 육각형의 격자를 이루며 육각형의 꼭짓점에 탄소 원자가 위치하고 있는 벌집구조 모양이다. 원자 1개의 두께로 이루어진 얇은 막으로, 두께는 0.2 (1㎚는 10억 분의 1m)로 엄청나게 얇으면서 물리적·화학적 안정성도 높다. 


강유전체(ferroelectric)

외부에서 인가되는 전기장에 의해 영구 쌍극자가 정렬하여 물질의 표면에 전하를 가질 수 있는 물질. 외부 전기장이 제거되면 정렬된 영구 쌍극자가 그 상태를 유지하는데, 양의 전하일 때와 음의 전하일 때 표면 전하의 극성이 다르므로 이를 디지털 신호의 0과 1에 대응하여 메모리 소자로 이용 가능함. 


메타물질(metamaterial)

자연계에 존재하지 않는 특성을 얻기 위해 빛의 파장보다 작은 인공 구조물들의 집합체. 예를들어, 300㎛ 파장의 빛에 대해서 수십 의 인공적으로 제작한 구조체들의 배열로 이루어진 경우, 300 파장에 대해서 메타물질로 동작할 수 있음. 인공 구조물의 모양, 배열, 크기에 따라 음굴절, 고굴절, 0굴절 물질 구현이 가능하며 고 해상도 렌즈 및 투명망토에 응용가능함.


메모리 메타물질(memory metamaterial)

메타물질은 외부에서 인가되는 기계적, 전기 및 자기적, 열적, 광학적 자극에 의해 광학적 특성이 변조가능한데, 일시적인 외부 자극에 의해 변조된 광학적 특성이 외부 자극을 제거시켜도 변조된 특성이 계속 유지되는 메타물질. 변조된 특성을 지속적으로 얻기 위해 지속적인 외부 자극을 인가해야할 경우, 에너지 소모가 크고, 전원 장치와 항상 연결되어야 하므로 메모리 메타물질은 이러한 에너지 낭비를 줄일 수 있음.


연 구 개

1. 연구배경

메타물질은 일반적으로 관찰할 수 없는 특이한 광학적 특성을 얻기 위하여 빛의 파장보다 훨씬 짧은 구조물로 구성된 인공물질로써 음굴절, 0굴절, 고굴절률물질 구현이 가능하며 고해상도 렌즈 및 투명망토 등에 응용가능한데, 외부에서 인위적으로 공급되는 기계적, 전기 및 자기적, 광학적 또는 열적인 자극에 의해 변조가능한 메타물질의 연구가 활발히 이루어지고 있다. 이러한 변조 가능한 메타물질은 외부 자극에 반응하는 물질을 이용하거나 반도체 공정 기술로 제조된 미세전자기기 시스템과 접목시킴으로써 구현 가능하다. 그러나 변조된 광학적 특성을 지속시키기 위해서는 불가피하게 외부에서 지속적인 자극이 공급되어야 하는데, 이는 많은 전력 소모의 원인이 되어 불필요한 자원 낭비를 초래하게 된다. 이러한 단점을 극복하기 위해 외부의 자극이 제거된 이후에도 변조된 광학적 특성이 유지가능한 메모리 메타물질이라는 개념이 대두되었다. 

지금까지 보고된 메모리 메타물질은 열적 자극에 의해 광특성이 조절되는 바나듐 산화물 계열과 강한 광학적 자극에 의해 조절되는 저메늄-안티몬-텔루륨 같은 상변화 물질을 이용하여 구현되었다. 그러나 현실적으로 응용되기에는 한계가 있었다. 바나듐 산화물 기반 메모리 메타물질의 경우, 바나듐 산화물의 상변화 온도가 섭씨 60도 정도이므로 메모리 메타물질은 고온 또는 열적으로 고립된 환경에서만 메모리 특성을 유지할 수 있어서 상온에서는 20분 정도의 기억시간이 보고되었다. 저메늄-안티몬-템루륨 기반 메타물질의 경우, 부피가 큰 광학적 장치에 의해서 상변화를 여기할 수 있어서 장치에 제약이 있었다. 다양한 분야에 응용되기 위해 메모리 메타물질은 상온에서, 오랜 시간동안 메모리 특성이 유지되어야 하며 장치의 부피가 작을수록 적합하다.

이러한 현실적인 문제점을 해결하기 위해 그래핀 기반 메타물질에 메모리 특성이 우수한 강유전체 고분자를 접목함으로써 메모리 메타물질의 신뢰성을 향상시킬 수 있고 전기적으로도 구동가능하다. 

2. 연구내용

본 연구에서는, 그래핀 기반 메타물질과 그래핀에 인접한 강유전체 고분자, 강유전체 고분자에 전기적 입력을 위한 전극 배열이 순서대로 형성된 구조로 제작되었다. 전극배열과 그래핀 사이에 전압을 인가하게 되면 강유전체 고분자를 이루는 영구 쌍극자들이 전기장의 극성에 따라 정렬하게 되는데 전압을 제거시켜도 영구 쌍극자 정렬이 유지가 된다. 그러므로 강유전체 고분자-그래핀 복합체에서 그래핀은 비휘발적인 도핑이 된다. 이러한 비휘발적 도핑을 이용하여 그래핀 기반 메타물질의 광특성을 저장할 수 있는 메모리 메타물질을 제작하였다. 

인가되는 전압의 크기에 따라 다중 상태의 다양한 광학적 특성 (투과도, 위상, 편광상태)이 저장됨을 확인하였다. 모든 저장된 광학적 특성은 상온에서, 10만초 이상 유지됨을 확인하였고, 외삽에 의해 추정한 결과 10년 이상 저장가능하였다. 또한 반복적인 전압 인가에 의해 쉽게 광학적 특성이 변조됨을 알 수 있었다. 

□ 본 연구에서는, 강유전체-그래핀 복합체에 의한 구조를 이용하여 그래핀에 비휘발적인 도핑을 유도하여, 메모리 메타물질에서 광학적 특성의 기억시간을 향상시켰다. 

□ 본 연구에서는, 다양한 광학적 특성에 대해 메모리 메타물질에 기억시킬 수 있음을 확인하였다. 특히 편광상태 기억 가능한 메모리 메타물질은 최초보고이다.

□ 본 연구에서는, 단일 입력에 의해 구동되는 메모리 메타물질의 원리를 확장시켜 논리 연산 가능한 메타물질도 시연하였다. 논리 연산 가능한 메타물질은 그래핀 기반 메타물질에서 그래핀의 상층 및 하층에 독립적으로 제어 가능한 강유전체로 감싼 샌드위치 구조로 제작되었다. 두 개의 입력되는 전압의 극성에 따라 그래핀에 인가되는 비휘발적 도핑 상태는 4가지 조합이 가능하다.  

□ 본 연구에서는, 논리 연산 가능한 메타물질에 회로적인 구성을 변화시킴으로써 2 비트 디지털-아날로그 변환 가능한 메타물질도 시연하였다. 


민범기 교수 이력사항


○ 소  속 : KAIST 기계공학과   1. 인적사항  


2. 학력

 ○ 1999: Seoul National Univ. 전기공학부, 학사

 ○ 2001: Seoul National Univ. 전기․컴퓨터공학부, 석사

 ○ 2003: Caltech. 응용물리, 석사

 ○ 2006: Caltech. 응용물리, 박사


3. 경력사항

 ○ 2011~현재 : 부교수, KAIST

 ○ 2009~2011 : 조교수, KAIST 

 ○ 2007~2008 : Postdoctoral Scholar, UC Berkeley, USA 

 ○ 2006~2007 : Postdoctoral Scholar, Caltech., USA


4. 관심분야정보

 ○ 마이크로/나노광학

 ○ 메타물질 및 소자



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posted by 이재형 과학이야기

최근 우리나라 전체가 메르스 여파로 들썩였는데요.

KAIST 연구진이 단백질 효소를 이용해 메르스와 같은 신종 바이러스 병원균 감염 여부를 진단할 수 있는 기술을 개발에 눈길을 끌고 있습니다.

박현규  KAIST 생명화학공학과 교수팀이 개발한 기술은 특정 단백질이나 효소를 인식하는 물질 압타머(Aptamer)를 이용해 다양한 표적 DNA를 분석할 수 있는 기술을 개발했습니다.

압타머는 표적 물질과 결합할 수 있는 특성을 가진 DNA입니다.

기존 분자 비콘(Molecular beacon) 프로브 기반 유전자 분석은 분석 대상인 표적 DNA가 변경되면 이에 대응하는 새로운 분자 비콘 프로브가 필요하기 때문에 다양한 표적 DNA를 분석하는데 많은 비용이 소요되는 단점이 있었습니다.

이에 박현규 교수팀은 DNA 중합효소와 결합해 활성을 저해시키는 압타머를 고안했는데요.

이를 역으로 이용해 표적 DNA가 존재하는 경우에만 압타머가 DNA 중합효소와 결합하지 않고 활성을 유지할 수 있게 조절하는 기술을 최초로 개발한 것입니다.

표적핵산에 의한 DNA 중합효소 활성 변화를 이용해 표적 핵산을 검출한 모식도표적핵산에 의한 DNA 중합효소 활성 변화를 이용해 표적 핵산을 검출한 모식도

이번에 개발된 기술은 조절된 DNA 중합효소의 활성이 핵산 신장 및 절단 반응을 일으키고,그 결과 형광 프로브(TaqMan probe)의 형광신호 측정이 가능한 것이 핵심인데요.

이를 통해 동일한 형광 프로브를 이용하면서도 다양한 표적 DNA를 민감하게 검출할 수 있는 새로운 유전자 진단 기술 개발이 가능해진 것입니다.

이를 활용하면 표적 DNA의 종류에 따라 새로운 프로브를 사용해야 했던 기존 기술과 달리 동일한 형광 프로브를 이용하기 때문에 다양한 표적핵산을 값싸고 손쉽게 검출할 수 있고요.

기술을 응용하면 여러 다른 병원균의 감염 여부까지 수월하게 파악할 수 있을 것으로 전망됩니다.

이번 연구는 메르스처럼 새로운 병원체에 대한 진단 키트를 용이하게 제작할 수 있어 여러 병원균에 대해 신속히 대응할 수 있고, 향후 유전자 진단 분야에서 새 원천기술로 널리 활용될 것으로 기대됩니다.

한편, 이번 연구결과는 영국왕립화학회가 발행하는 케미컬 커뮤니케이션즈(Chemical communications) 6월호 후면 표지논문으로 선정됐습니다. 

연  구  개  요

기존의 핵산 기반 검출 기술은 형광 및 소광제 물질이 표지된 U자형의 DNA 프로브인 분자비콘(molecular beacon)에 기반을 두고 있다.

이 기술은 표적 핵산의 존재에 의한 분자비콘의 구조 변화에 따른 형광 신호 생성의 유무를 확인함으로써 이루어진다 . 이 기술은, 핵산의 분리과정 없이 표적 핵산을 신속하게 분석할 수 있기 때문에, 다양한 형태의 분자비콘 기반 핵산 분석 기술 개발에 적용되어 왔다.

하지만, 상기 언급한 분자비콘 기반의 분석 기술은 표적 핵산과 분자비콘이 1:1로 반응하여 형광신호를 발생시키므로, 높은 민감도를 구현하기 힘들다는 단점을 가지고 있다. 또한, 서로 다른 표적 핵산의 분석을 위해 이에 대응하는 새로운 분자비콘이 필요하므로, 다양한 표적 핵산을 분석하는데 많은 비용이 드는 문제점을 지니고 있다.

상기 기술의 문제점을 극복하기 위하여 연구 노력한 결과, 본 연구팀은 다양한 표적 핵산의 검출에 보편적으로 적용될 수 있는 민감도가 우수한 효소 기반 검출 시스템을 개발하였다.

본 기술은 DNA 신장 반응(extension reaction)을 수행하는 핵산 중합효소(DNA polymerase)인 Taq 핵산 중합효소 및 이에 특이적으로 결합하여 활성을 저해시키는 DNA 압터머(DNA aptamer)를 도입하였다.

구체적으로, 표적 핵산의 검출을 위해 DNA 압터머에 표적 핵산을 특이적으로 인식하는 단일가닥 DNA를 포함하도록 디자인하였으며, 이 부분이 표적 핵산과 결합하여 DNA 압터머로부터 떨어져나갈 경우, DNA 압터머는 Taq 핵산 중합효소와 더 이상 결합하지 않게 되고 핵산 중합효소의 활성은 증가하게 된다.

이러한 표적 핵산과 DNA 압터머의 상호작용을 통한 핵산 중합효소의 활성 변화는 TaqMan 프로브(TaqMan probe)에 기반을 둔 프라이머 신장 반응(primer extension reaction)에서 유래하는 형광신호를 통해 실시간으로 분석할 수 있다.

상기 기술은 기존의 핵산 기반 검출 기술과 비교하여 표적 핵산을 인식하는 부분과 이 결과로 유래되는 신호를 검출하는 부분이 따로 분리되어 있기 때문에, 신호를 검출하는 부분의 구성요소인 TaqMan 프로브는 동일하게 유지하며, 표적 핵산을 인식하는 부분의 구성요소인 DNA 압터머의 염기서열만의 변화를 통해 다양한 표적 핵산을 범용적으로 분석할 수 있다. 따라서, 다양한 표적 핵산의 분석에 드는 비용을 매우 절감할 수 있다.

 

 용 어 설 명

압타머
저분자 화합물로부터 단백질까지 다양한 종류의 표적 물질에 대해서 높은 친화성과 특이성을 가지고 결합할 수 있는 작은 단일가닥 DNA

DNA 중합효소
DNA를 복제하여 증폭시키는 역할을 하는 효소

분자 비콘(Molecular beacon)
표적핵산에 상호보완적인 염기서열을 포함하는 헤어핀 구조의 DNA로서, 양 말단에 형광체와 소광체가 각각 달려있다.

TaqMan 프로브
5’ 말단과 3’ 말단에 각각 형광체와 소광체가 달린 짧은 단일가닥 DNA

 

박현규 교수 이력사항

□ 인적사항
○ 소 속 : KAIST 생명화학공학과

□ 학 력
○ KAIST 생명화학공학과 학사 1990
○ KAIST 생명화학공학과 석사 1992
○ KAIST 생명화학공학과 박사 1996

□ 경력사항
○ 1996~2002 삼성종합기술원, 선임연구원
○ 2002~2006 KAIST 생명화학공학과, 조교수
○ 2006~2012 KAIST 생명화학공학과, 부교수
○ 2012~현재 KAIST 생명화학공학과, 교수
○ 2015~2018 KAIST 지정 석좌교수

 

 

 

 

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posted by 이재형 과학이야기

※ 본인다른 블로그 글을 이전 통합에 따라 재구성했습니다.


 

베터리 광탈!

잔량 20% 대에서 갑자기 전원 꺼짐!

잔량 40% -> 10% 급락!

꺼질듯 말듯 잔량 1% 표시 지속!

아이폰5 사용자 대부분이 겪는 일상이지요?

그래서 배터리 교체나 리퍼를 생각하고 있지요?

그렇다면 먼저 아래 링크를 확인하세요. 꼭!

애플에서 이 같은 오류에 대해 무상수리를 해주고 있는데요.

아래 링크에서 일련번호를 입력해보면 수리 대상인지 즉시 확인할 수 있습니다.

여기에서 해당이 된다면 맘 편하게 AS 센터로 궈~!

http://www.apple.com/kr/support/exchange_repair/

"아니다! 나는 내가 바꾸겠다!"  아래로.

 

자~! 이제 아이폰5 베터리를 교체하겠습니다. 

[서문]

2012년 11월 영입한 본인의 아이폰5가 사용기간 경과에 따라 전류 광탈, 액정 잔량 표시와 실제의 불일치 등으로 사용에 문제점을 점점 드러내는 바, 교체를 결정.

방법은 자가 교체, DIY.

최근 인터넷 쇼핑몰 '11번가'에서 베터리 교체킷을 28,000원에 구입하여 교체 완료.

테스트 결과는 만족.

이에 교체 내용을 이곳에 올려 동일한 고초를 겪는 아이폰5 사용자에게 널리 알리고자 합니다.

 

[방법]

 1. 준비

베터리 교체 킷 구성품입니다.


왼쪽부터
정품 베터리 1500mA, 별드라이버, 액정판 여는 주걱, 액정 들어올리는 에어컵,
그리고 옵션 선택으로 배터리 고정 양면테잎(2,000원 추가)

2. 별나사 제거

분해에 앞서 바닥에 흰 종이를 깔아요.
그래야 작은 나사가 굴러다녀도 찾기 쉬워요.
충전구 옆에 별 나사 두 개를 풀어줍니다.

3. 액정 분리 1

나사를 풀어도 액정은 꼼짝도 안 해요.
당황하지 말고 에어컵으로 액정 홈버튼 부분(아래 부분)에 밀착시키고 살짝 들어올려요.
이때 살살, 하지만 제법 강하게 줘야 살짝 들어올려집니다.
무리하게 힘 줘서 액정 뽑아 올리면 액정 사망으로 상황 종결..."망했어요~"

4. 액정 분리 2

벌어진 틈으로 파란 주걱(또는 기타 피크)를 넣고 윗쪽으로 틈새를 벌려갑니다.
무리하게 벌리다간 역시 액정 사망 ;;
본체와 액정이 완전히 분리하지 말고 윗부분(전원버튼) 연결 커넥터 유지 상태에서 위로 살살 들어올려요.
다시 조립할 자신 있으면 커넥터 분리해도 무방해요.

5. 베터리 커넥터 고정쇠 해제

베터리와 본체 연결선을 눌러주고 있는 'ㄱ'자 걸쇠 나사를 풀러줍니다.
이 나사는 십자나사(별드라이버 반대편).
방향 잘 기억해 두고요.

6. 베터리 분리

배터리를 살살 얼러서 때어냅니다.
천천히 천천히가 포인트.
양면 테이프로 고정돼 있는데, 이게 제법 단단해요.

왼쪽이 새것입니다

7. 새 베터리 장착

새 배터리 넣기 전에 먼저 고정용 양면테이프 붙이고요.
그리고 위치에 대고 눌러서 붙여요.
이후는 분해의 역순. 

8. 액정판 조립

액정을 위에서부터 살살 눌러서 덮어요.
똑! 똑! 소리가 나면서 원위치.
그리고 별나사 조립.

9. 첫 완충 후 반드시 리셋

배터리 교체 후 첫 완충을 하면 반드시 리셋을 해야 합니다.
홈버튼+전원버튼 길게 누르면 꺼졌다 다시 켜져요.
이거 꼭 필요한 절차입니다.

[비교]

1. 베터리 오래감.
* 최초 6시간 대기 시 5% 소모

2. 베터리 잔량표시를 신뢰할 수 있음

[결과]

비용대비 효과 매우 만족스러움.

여러분들도 조심스레 도전해보시길!

 

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posted by 이재형 과학이야기

KAIST 휴보 ‘DARPA 로보틱스 챌린지(DRC)' 우승!

‘이번 우승’은 많은 의미를 담고 있습니다.

가장 큰 의미는 당연히 ‘희망’이겠죠. 그리고 또 있습니다.

KAIST 오준호 교수팀이 개발한 ‘휴보’가 6월 5일부터 이틀간 미국 캘리포니아주 포모나에서 열린‘DARPA 로보틱스 챌린지(DRC)'에서 우승을 차지하는 쾌거를 이뤘습니다.
이번 우승으로 오준호 교수팀은 200만 달러의 상금도 획득했습니다.
이번 대회는 세계 24개 팀이 개발한 휴머노이드가 ▲운전하기 ▲차에서 내리기 ▲문 열고 들어가기 ▲밸브 돌리기 ▲드릴로 구멍 뚫기 ▲돌발미션 ▲ 장애물 돌파하기 ▲계단 오르기 등 8개 미션에 대한 수행 평가로 진행됐습니다.
  DRC에 참가한 휴보(좌)와 우승 시상식(우) / KAIST 제공DRC에 참가한 휴보(좌)와 우승 시상식(우) / KAIST 제공

이번 우승 소식을 접하자마자 예전에 인터뷰 한 내용을 다시 찾아봤습니다.

세계를 깜짝 놀라게 한 휴보가 만들어지기까지의 과정을 알게 되면 다른 방향에서 다시 깜짝 놀라기 때문이죠.

아래는 2011년 인터뷰한 내용을 재구성 한 것입니다. 
 


휴먼형 보행로봇? 그까이꺼!

2000년, 오준호 KAIST 교수는 뉴스를 통해 일본의 휴먼형 로봇 '아시모'를 처음으로 보게 됩니다.

오 교수는 '저것이 가능할까?' 황당해 하면서도 한편으론 '나도 못할 것 없지'라고 생각했습니다.

그래서 오 교수는 (푼돈에 불과한) 연구비를 마련하기 위해 여기저기 제안서를 냈지만 '턱도 없다'며  거부당했습니다.

우리나라에 로봇 기반이 전혀 없는 상황에서 휴면형 로봇 개발은 불가능하다는 것이지요.

그는 동료 교수들 몇 명을 찾아가 각출하듯 6000만 원을 마련했습니다. 이 돈은 당시 'BK21 사업'을 통해 교수들에게 1000만 원 씩 지급된 일종의 보조금인데, 우여곡절 끝에 모을 수 있었다고 합니다.

그리고 2002년, 오 교수는 연구를 시작한지 단 6개월 만에 2족보행 로봇 'KHR-1'을 완성했습니다.

다른 나라 개발자가 알면 정말 까무러칠일이었지요.

여기에 자신감을 얻은 오 교수는 KHR-1을 학교측에 보여주면서 1년 연구비 1억 5000만 원을 신청했습니다.

오 교수의 결과물에 깜짝 놀란 학교측은 오히려 3년 과제로 선정해 제대로 해보자며 더 좋은 조건을 제시했습니다.

그러나 오 교수는 "일본이 이미 완성한 것을 3년이나 한다는 것은 자존심이 허락하지 않았다"면서 제안을 거절했다고 합니다.

그리고 이듬해 다시 연구에 착수한 오 교수.

이번에도 시작 6개월 만인 2003년 8월, 휴보의 전신인 'KHR-2'를 완성했고요. 

주변은 또 다시 깜짝 놀랐지요. 휴보의 탄생인 것입니다.

오 교수 표현으로는 이를 본 사람들이 '놀래서 자빠지더라'고 합니다.

휴보를 모르던 정부, 우리나라에 왜 왔냐는 일본

당시 정부는 우리나라 7대 성장동력사업 중 하나로 '로봇'을 채택했습니다.

그런데 오 교수는 이런 사실을 몰랐고요. 정부 역시 오 교수의 로봇 개발 사실을 알지 못했습니다.

당시 정부는 '우리나라 기술로는 로봇의 독자 개발이 불가능하다'고 판단, 일본이나 유럽 등과 기술 제휴를 추진하고 있던 상황입니다.

그래서 정보통신부 관계자들이 일본으로 날아가 로봇 개발 협력을 이끌어내기 위해 노력했다고...

그런데 일본 측 반응, "당신네 나라에 이미 KHR-2(휴보)가 있는데 왜 왔냐"고 하더랍니다.

결국 정부 관계자들은 일본에서 오 교수의 소식을 듣고 다시 KAIST로 찾아온 웃픈 사실.

그리고 그 무렵 KAIST에서 부총리가 참석하는 만찬 행사가 있었는데요.

그 때 총장이 "우리 학교 오 교수가 로봇을 만들었는데 그럴듯 하다"고 말했더니 부총리가 '볼 수 있냐"고 물었고, 바로 랩실을 찾아왔더랍니다.

오 교수는 랩실에서 변변찮은  저녁식사를 하다가 갑자기 부총리 일행 손님을 맞게 됐지요.

부총리는 KHR-2를 이리저리 살펴보더니 '과기부는 이런거 지원 안 하고 뭐하고 있었냐 는 등...' 이하 줄줄이.... 자세한 내용은 상상에 맞겨요.

아무튼 그래서 한바탕 난리가 났겠지요.

이런 우여곡절 끝에 2004년부터 오 교수에 대한 정부 지원이 시작됐습니다.

그리고 오 교수는 이번에도 1년도 안 되어 '휴보'를 완성했습니다.

초 단기간에 휴보를 만든 오 교수는 하루 아침에 전 세계의 주목을 받는 인물이 됐습니다.

심지어 외국의 정보기관에서도 그를 찾아왔다고.

특히 '아시모'를 개발한 일본은 한마디로 '까무러치게 놀랐습니다.'

자신들이 수백 억의 자금과 수십 명의 전문가를 투입해 10년 넘게 개발한 것을 한국의 한 과학자가 '푼돈'으로 단기간에 만들었기 때문입니다.

우리가 왜 로봇을? 제자들의 반란

당시 재미있던 일화가 있습니다.

바로 오 교수 밑에 있던 대학원생들의 반란입니다.

그들은 당초 자신이 배우고자 했던 공부는 못하고 '담당 교수의 취미만 뒤치닥거리 한다'는 불만으로 가득했다고 합니다.

게다가 당시 현실로는 '턱도 없는' 로봇이라니...

이런거 왜 만드냐고 투덜대는 제자들은 급기야 오 교수를 찾아가 집단 항의하는 사태까지 벌어졌습니다.

그리고....지금 그 학생들은 어떻게 됐을까요?

"그 학생들 휴보 만들다가 출세해서 다들 교수됐어."

물 만난 고기

자신의 대학시절을 그는 한마디로 '물 만난 고기'라고 표현합니다.

당시 그의 최대 관심 사항은 자동제어나 연결 시스템 등 이었고, 이는 이미 중·고교 시절 독학으로 전자공학도 터득했던 터였습니다.

오 교수는 학교에서 금세 두각을 드러냈습니다.

대학교 3학부터는 대학원 선배 실험실에서 살다시피 했습니다.

필요한 실험장치가 있으면 직접 청계천에 가서 부품을 사와 만들고, 실험실 장비가 고장나면 혼자 수리도 했습니다.

당시 실험실에는 과거 한일협정 당시 대일 청구권으로 들어온 일제 과학기제자가 쌓여있었다고 합니다.

이중 고장나서 방치된 것들이 많았는데, 이것을 수 없이 뜯어보고 기능을 살려냈습니다.

연대 대학원에 진학한 그는 바이오메커니즘을 공부했습니다.

대학원을 마치고 2년동안 원자력연구소에 근무하다가 시스템자동제어(동역학자동제어)를 배우러 미국 버클리대로 유학길에 오릅니다.

버클리대에서도 그는 무엇이든 잘 만들어내는 재주로 인기를 끌었습니다.

학문에 관심없던 KAIST 교수

3년 반만에 학위를 받고 한국으로 돌아와 KAIST 교수가 됐습니다.

그러나 그는 논문을 쓰거나 연구 프로젝트를 따내는 것에는 관심이 없었고, 그 때 그 때 흥미롭다고 생각하는 것에 몰두하는 경향을 보였습니다.

그렇게 해서 교수로 부임하고 얼마 지나지 않은 오 교수는 이미 탄소섬유로 제작한 초경량 로봇을 만들어봤고, 1990년 초반에는 무인헬기의 호버링에 대해 연구하기도 했고, 1993년에는 요즘 한창 미국에서 실용 연구가 4족보행 로봇도 만들었지만 당시 발표조차 안했다고 합니다.

또 1994년에는 러시아와 공동으로 초정밀 자이로스코프와 리얼타임컨트롤장치 등을 개발했습니다.

이렇게 오 교수는 기계설계, 마이크로프로세서, 폼웨어, 실시간제어기술, 자동제어, 안정화기술, 센서기술, 계측기술 등 연구인지 취미인지 모르게 로봇에 관한 기반 연구를 하나하나 완성하고 있었습니다.

가장 오랜 어릴때 기억은 호기심
 


오 교수의 취미인 '연구'는 그가 가장 더듬어 기억할 수 있는 어린시절부터 시작됩니다.

오 교수는 "3~4살 때 그런 기계에 매료됐던 기억이 생생하다"고 말합니다.

'꼬마 오 박사'는 할머니의 재봉틀이 움직이는 것부터 째깍째깍 움직이는 시계, 각종 공구 등을 보는 것 자체가 즐거웠습니다.

어린이에게 공포의 대상인 병원조차 '꼬마 오 박사'에게는 신기한 호기심의 대상이었다고 합니다.

병원에 간 꼬마 오 박사는 각종 진단기기와 장비들을 보는 것이 즐거워 무서운 것도 잊어버렸다고.

초등학교 3학년이 만든 다단계 로켓

이런 오 교수의 학창시절은 줄곧 탐구와 만들기의 연속이었습니다.

초등학교 때는 종이로 몸체를 만들고, 노즐부는 분필에 구멍을 뚫은 3단 로켓을 직접 만들었습니다.

추진체는 문방구에서 파는 빨간 종이화약을 사용했고, 나중엔 화려한 폭발효과를 내기위해 알루미늄 가루까지 넣은 흑색화약을 직접 만들기도 했습니다.

또 그의 연습장에는 작동 메커니즘을 담은 로봇이나 비행기 스케치로 가득했습니다.

중학교에 들어간 오 박사는 곧 전자공학에 빠져들었습니다.

지금처럼 조립 키트가 없던 시절이었기에 회로부품을 구하려고 청계천 고물상으로 출퇴근을 하다시피 했다고 합니다.

쇠를 깍아 만든 증기기관차

어느날은 증기기관차를 만들어보기로 했습니다.

집 근처의 공작기계 업체에 가서 직접 설계한 실린더를 쇠를 깍아 만들고, 추진력은 알코올램프로 끓인 증기를 이용했습니다.

또 발사목을 다듬어 비행기를 만들었고, 큰 연을 만들어 어디까지 날아가나 끝없이 날려보기도 했습니다.

렌즈를 구입해 직접 천체망원경을 만들어 목성 관찰에도 성공했습니다.

장판을 걷어내야했던 그의 공부방

그런 그의 공부방은 사실상 공장의 작업실과 같았다고 합니다.

나중엔 아예 장판을 걷어내 시멘트 바닥이었고, 책상도 치워버렸습니다.

대신 그 곳에는 온갖 연장이 가득한 선반과 작업대로 변했습니다.

학창시절 오 교수는 장래 희망은 당연히 이공계를 진학해 교수가 되는 것이었습니다.

그는 진로에 대해 고민을 해본 적이 없었다고 회상합니다.

그러나 학창시절 오 박사의 객관적인 성적은 그리 희망적이지 못했습니다.

아니 교수는 고사하고 웬만한 대학진학 조차 힘든 수준이었습니다.

수학과 과학만 특출나게 잘했지만, 국어, 사회, 영어 등 나머지 과목은 대부분 과락 수준이었습니다.

그래서 고교 2학년때가지 그의 성적은 한 학급 60명 중 50등 대를 벗어나본 적이 없었다고 합니다.

전교 꼴찌가 6개월만에 전국 20등

고교 2학년 시절.

그나마 좋아했던 수학마저 '시시하다'는 생각에 손을 놓고 말았습니다.

그러다가 '극한'을 접하면서 그는 득도하듯 커다란 충격을 받았다고 합니다.

그 때가 고등학교 2학년 여름 때입니다.

마치 학문의 원리를 깨친것 마냥 그는 미친듯 파고 들었습니다.

그리고 그동안 방치하다시피 했던 국어, 사회 등 다른 과목에도 빠져들며 자신의 호기심을 채웠습니다.

그렇게 6개월 동안 고교 3년 과정의 전 과목을 탐독했습니다.

그의 성적은 전교 꼴찌 수준에서 순식간에 전교 20위 권으로 급상승했습니다.

고 3이 되기 전 이미 고교 전 과정을 독학으로 끝낸 그는 다시 학억에 흥미를 잃었다고 합니다.

그래서 그는 고3 시절 플룻 등 악기를 배우며 소일했습니다.

오 교수는 물리학과로 진학해 순수 과학자가 되고 싶었지만, 선생님들이 의대나 공대를 추천했습니다.

그래서 진학한 곳이 연세대 기계공학과입니다.

서울대는 왜 안 갔냐고 물었더니, 독일어 때문이랍니다.

독일어에는 흥미가 없었다고. 

아엠 유어 파더! 아시모는 아버지가 없지만, 난 휴보 아버지

휴보의 아버지 오 교수는 현재(2011년 당시) 보다 개선된 성능의 휴보를 만들고 있습니다.

또 기술력을 인정받은 휴보는 미국 등 해외에서 연구용으로 발주 받아 수출도 되고 있습니다.

오 교수의 바램은 휴보가 전 세계 로봇 연구자들의 표준 플랫폼으로 사용되는 것입니다.

현재 오 교수는 휴보보다 안정화된 KHR-2+ 개발을 진행하면서 동시에 자신의 취미인 '또 다른 연구거리'를 찾고 있습니다.

 

 

오준호 교수와의 1문 1답

-천재 아닌가?
"영재의 정의는 아이큐가 높은것인가? 나는 이렇게 정의한다. 그 일을 하고 싶은데 안하면 못배기는 사람이다. 나는 내 기억이 있는 한 기계를 좋아했다. 할머니 재봉틀이 너무너무 좋았고, 시계며 공구 등을 가지고 노는 것 자체가 재미있었다."

-초등학교 시절은 어땠나?
“3~4살때부터 기계에 매료됐던 기억이 생생하다. 오죽했으면 병원이 무서운게 아니라 장비들을 보고 오히려 신기해 했다. 모든 자연현상과 기술에 매료됐다. 초등학교 때 별명이 꼬마 박사였다. 그래서 더 아는척 하려고 백과사전도 찾아보고 공부도 더 열심히 했다.”

-초등학교 때 기억에 남는 발명품은?
“초등학교 3학년 때인가...몸체는 종이로 만들고 노즐은 분필에 구멍을 내어 만든 다단계 로켓을 만들었다. 추진체는 화약을 넣었는데, 화약을 구하기 힘들어서 직접 흑색화약 원료를 구입해 만들기도 했다. 나중엔 화려한 폭발효과를 내기 위해 알루미늄 가루까지 넣었다. 또 설계에도 취미가 있어서 로켓이나 비행기, 로봇 등의 작동 메커니즘을 그려보기도 했다.”

-그렇다면 중학교 시절은?
“중학교 들어가서는 라디오 전자공학에 빠졌다. 청계천, 세운상가, 고물상 등을 해매며 라디오, 전축, 무전기 등을 만었다. 당시에는 과학 어린이 잡지가 없던 시절이어서 전파공학 전공책을 구해 공부했다. 또 통나무를 깍아서 배를 만들거나 렌즈를 구해 천체망원경 만들어 목성을 관찰하기도 했다. 증기기관차를 만들었던 것이 기억에 남는다. 동네 공작기계 공장에 가서 실린더를 깍은 증기기관차였는데, 알콜램프로 물을 끓여 움직였다. 갖고 싶은게 있으면 으례 만들었다. 기성품은 재미가 없었다. 발사목을 깍아서 비행기를 만들기도 했다. 엄밀히 말하면 중학교 때는 만들었다기보다 부시면서 보낸것 같다. 신촌에서 신설동을 가는 버스가 청계천을 지나갈 때는 그냥 못지나가고 내렸다. 모든 엔지니어링에 대해 관심이 있었다.”

-그 당시 생활이 궁금하다.
“지금은 헐값인 전자 부품들이 그 때는 비쌌다. 트랜지스터 하나를 사면 여러 곳에 때었다 붙혔다를 많이 했다. 내 방에서 작업을 많이 하다보니 아예 장판을 걷어내고 신발을 신고 들어갔다. 책상도 치우고 공구 다이를 놓았다. 고물상을 방불케 했다. 그 방에서 화약이 터지기도 하고, 풍선으로 불꽃놀이도 했다. 언젠가는 큰 연을 만들어서 어디까지 날아가나 끝없이 날려보기도 했는데, 얼레를 공업용 와인더를 썼었다. 그 땐 백과사전이 내 가이드라인이었다.”

-당시 장래 희망은?
“당연히 박사까지 따는 것이고 직업은 교수였다. 이외의 진로에 대해 고민을 해본 적이 없다. 수학과 과학을 특히 잘했다. 그런데 고등학교 때 수학이 시시하다는 건방진 생각을 해 잠시 흥미를 잃기도 했다. 물리와 화학, 생물, 지구과학 등은 점수가 굉장히 좋았다. 반면 영어, 사회, 국어는 거의 빵점이었다. 반 60명 중 50등도 못했다. 그런데 내 동창들은 내가 그 당시 공부를 잘했다고 생각하더라.”

-그러면 어떻게 대학을 갔나?
“고 2때 극한을 배우면서 머리에 반짝 불이 들어왔다. 그날 수학의정석을 사서 독학하기 시작했다. 성적이 반 학기만에 전교 꼴찌그룹에서 전국 20등까지 순식간에 올라갔다. 그런데 사람들이 왜 서울대를 안갔냐고 물어보는데, 그 때는 독일어 때문에 그랬다. 독일어까지 하기는 싫었다. 고 3때는 놀아줄 사람이 없어서 심심했다. 그래서 풀릇 같은 악기를 배우며 소일했다.”

-6개월만에 고등학교 전과정 공부를 마친 것인데?
“천재 아니면 바보라고 생각했다. 시험 보는 것에는 흥미가 없었다. 그런 것을 뭐하러 하나 생각했다. 수학 문제를 푸는 게 무슨 의미가 있나? 그게 수학의 의미를 아는 것인가? 예를 들어 국어에서는 문단 나누기, 중요한 뜻 찾기..이런것을 왜 해야 하는지 이해할 수 없었다. 내 스스로 고집이 있었던 것 같다. 내가 어렸을 때 시계 뚜껑을 열고서 작동 원리를 봤다는 것이 중요한 것이다. 그 전에 내가 알고 있는 시계가 가는 원리는 아무 의미가 없는 것이다.”

-그런데 어떻게 공부를 잘하게 됐나? 수험생이나 학부모가 관심있을 내용이다.
“한 발 떨어져 문제의 본질을 보기 시작하니까 그렇게 싫어하던 국어와 사회 같은 과목의 성적이 순식간에 올랐다. 원래 외우는 것을 싫어했는데, 원리를 이해하니 그것도 너무 재밌더라. 구조를 알면 외울 필요도 없다. 연세대 물리학과를 가서 순수 과학자가 되고 싶었다. 그런데 기계과를 가게 됐다.”

-대학생활은 어땠나?
“대학에 간 나는 물 만난 고기였다. 배우면서 전율했다. 그동안 궁금해했던 것을 이해하면서 너무 재미있었다. 전 학년 수석이었다. 당시 최대 관심사항은 자동제어였다. 연결된 시스템, 구조적으로 움직이는 것, 이런 것들이다. 스터디 그룹 만들어서 토론도 하고, 3학때부터는 대학원 선배 실험실에서 살았다. 남들 도망갈 때 오히려 남아서 더 했다. 청계천에 가서 부품을 사와 실험장치를 만들어 주고, 계측장치, 전자 스위치 등 고장난 장치를 수리해줬다. 앞서 대일 청구권으로 들어온 일제 과학 기자제가 실험실에 쌓여 방치돼 있었다. 전자분야도 좋아했기 때문에 이것들을 수 없이 뜯어봤다.”

-대학 졸업 후는?
“미국 유학 전 2년동안 원자력연구소에서 근무했다. 그러다가 시스템자동제어(동역학자동제어)를 배우러 버클리대학을 갔다. 대학원에서 바이오메카니즘(생체공학)을 공부했다. 학위를 3년 반 만에 끝냈다. CNC 제어도 했다. 유학시절에도 장치 같은 것을 잘 만들어서 인기가 있었다. 노는 것에 관심이 많아 아마도 40%는 놀며 딴짓했던 것 같다. 집사람이 미국에서 공부하는 것을 보지 못했다고 하더라.”

-KAIST 교수가 되어서는?
“논문 쓰고 프로젝트 따는 것들에는 관심이 없었다. 솔직히 교수 초기에는 방향성이 없었다고 봐도 된다. 자동제어 이론, 무인항공기 등 그 때 그 때 관심있던 것들을 했다. 1990년 무렵에는 무인헬기의 호버링에 대한 연구를 했는데, 그 때는 아무도 안하던 분야였다. 흥미롭다면 몰두하는 경향이 있었다. 그래서 어플리케이션이 다양했다. 1993년에는 4족보행 로봇을 만들기도 했는데 발표조차 안했다. 앞서 탄소섬유 초경량로보트를 만들기도 했다.”

-지금은 로봇 전문가인데?
“로봇을 목적으로 배운적은 없다. 대신 많은 센서 개발을 해봤다. 1994년 경엔 초정밀가속도계를 러시아와 공동개발했다거나...리얼타임컨트롤 등도 있다. 로봇은 그동안 공부했던 것들을 종합적으로 적용하기 좋았던 것이다. 특허내고 논문 쓰는 것에는 흥미가 없었다. 로켓과 인공위성에 대해서도 공부했다.”

-로봇 공학에 대해 설명한다면?
“로봇을 구성하는 모든 분야 학문을 1990년대 중반까지 해봤다. 기계설계, 마이크로프로세서, 폼웨어, 실시간제어기술, 자동제어, 안정화, 센서기술, 계측기술(가속도, 관성센서), 자이로스코프 등 연구인지 취미인지 모르게 했다. 또 각종 센싱 기술 등을 15년 동안 다양하게 연마했기 때문에 무엇이든 만들 수 있었다. 오토메틱컨트롤 전문가가 되어 있었다. 이론이 갖춰졌기 때문에 가능한 것이었다.”

-휴보는 어떻게 만들게 됐나?
“로봇에는 관심이 없었던 시절이고, 로봇 학회도 가본적이도 없었다. 그런데 2000년 아시모가 발표되는 것을 TV로 봤다. 황당했다. 저것이 가능한가? 그렇게 1년을 생각해보니 못할 것도 없다고 생각했다. 돈이 필요해 여기저기 프로포즈 했는데, 모두들 택도 없다며 거절했다. 2000년부터 BK21이 시작됐는데, 교수에게 1000만 원을 주던 시절이다. 주로 컴퓨터 몇 대 사면 끝나는 돈이었다. 동료 교수 몇 명을 찾아가서 나에게 투자해라고 해 6000만 원을 만들었다. 2002년 KHR-1 최초로 만들었다. 시작 6개월만이다.”

-당시 제자들까지 반대가 심했다고?
“학생들은 이런거 왜 만드냐고 투덜댔다. 급기야 단체로 찾아와서 항의까지 했다. 만들어 보니까 재미있더만...그 학생들 출세해서 다들 교수됐다.”

-로봇 개발 계획은 어떻게 발전했나?
“KHR-1을 만들고 자신감이 확 생겼다. 그래서 학교에 1억 5000만 원을 신청했다. 처음엔 안주려고 하더니 로봇을 보여주니까 오히려 1년, 1억 5000만으로 되겠느냐며 3년 짜리로 재대로 해보자더라. 그래서 일본은 다 끝난 연구인데, 이걸 1년 이상 끌면 오히려 실패라며 내가 거절했다. 1억 5000만 원 중 5000만 원은 디자인 교수님에게 드렸다. 나머지 1억 원으로 휴보의 전신인 KHR-2를 만들었다. 2003년 초 시작해서 6개월만에 끝냈다.”

-정부 과제로 선정되기까지 우여곡절이 있었다고?
“2002년 7대 성장동력사업이 시작됐는데, 그 중 하나가 로봇이다. 당시 정보통신부 진 장관이 5년 이내에 아시모 수준의 로봇을 만들겠다고 정부에 보고했다 한다. 그러나 자체적으로 기술을 만들기 불가능하다고 판단해 일본, 유럽과 기술 제휴가 논의되고 있던 상황이었다. 이런 사실은 난 관심이 없어 모르고 있었다. 2003년 KAIST 내에서 KHR이 알려지기 시작했고, 곧 일본도 알게 됐다. 국내 정부 관계자들이 일본에 갔을때 일본인들이 오히려 KAIST에 로봇이 있는데 왜 왔냐고 했다더라. 그리고 정통부에서 연락이 왔다. 또 과학기술부 오 부총리가 KAIST에 와서 만찬을 했을 때, 당시 총장이 ‘오 교수가 로봇을 만들었는데 그럴듯 하다’고 말했다. 부총리가 갑자기 ‘볼 수 있냐’고 말하더니 그날 저녁 7시 반에 찾아왔다. 엎드려 이리저리 처다보더니 과기부는 이런거 지원안하고 뭐하고 있었냐는 등...과기부가 난리가 났다.”

-정부 지원은?
“2004년부터 정부 지원이 시작됐다. 2004년 3월부터 돈이 나왔다. 그리고 그해 11월 15일, 시작 1년 만에 휴보가 나왔다. 그해 12월 중순 홍보실에서 연락이 왔다. 하루 아침에 난리가 났다. 전 세계에서 인터뷰,가 밀려들고, 외국 정보기관에서도 왔다. 방문객도 굉장히 많았다. 이전까지 로봇은 일본의 전유물이라고 생각했던 것이다. 일본은 까무러치게 놀랐다. 오준호, 제가 언제 로봇을 했냐는거다. 그리고 또 1년만에 알보를 만들었다.”

-KHR 시리즈를 간단히 설명한다면?
“khr-1은 이족보행이 가능한 로봇을 만드는 것이다(286도수 컴퓨터-제어를 간단하기 하기 위해). khr-2는 완벽한 휴면로봇으로, 눈, 손가락, 멀티테스킹까지 되는 풀 시스템을 가볍게 만드는 것이다. khr-3(휴보)는 이것들을 세련되게 만드는 것이다. 현재는 안정화 된 khr-2+를 만드는 중이다. 휴보는 최초, 최고의 의미를 부여한 게 아니다. 아시모의 아버지는 없다. 조직이 만들었기 대문이다. 그렇지만 나는 휴보의 아버지이다.”

-휴보의 의미는?
“휴보를 브랜드 네임으로 간직하고 싶다. 그래야 아이덴티티가 있다. 현재 싱가폴이 2대, 미국이 6대를 가져다가 연구하고 있다.”

-또 무엇으로 세상을 놀라게 할 것인가? 바램은?
“긴본적인 관심은 시스템이다. 바램이 있다면 휴보나 휴보의 부품, 팔 다리기 다른 곳에도 쓰이고, 또 교육용이나 연구용으로 보급돼 세계 연구자들의 표준 플랫폼으로 사용되는 것이다. 그러면 휴보가 진정한 기술표준이 되는 것이다.”

 

휴보2 제원

항목

사항

본체

125 cm

중량

45 kg

자유도

40 DOF

이족보행

보행방식

무릅펴고 걷기, 뛰기

보행속도

1.8 km/h(걷기),

2.6km/h(뛰기)

제어부

주 제어기

Intel embedded PC, 933Mhz with CAN 모듈

부 제어기

2채널 BLCD 모터 구동 제어기

제어 아키텍쳐

CAN을 이용한 실시간 분산제어

액튜에이터

BLDC 모터

전원부

사용/충전시간

1시간/2시간반

배터리

48V 8Ah Li-ion Battery

센서부

FT 센서

발바닥 3축 힘/모멘트센서,

손목 3축 힘/모멘트 센서

IMU 센서

3축 각도, 각속도 센서

운영체계

운영체계 OS

Windows XP with RTX

Network

네트워크 방식

무선, 유선

지원 S/W

개발환경

Visual C++ 6.0

프로토콜

휴보에 특별화된 CAN 프로토콜

 

 

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뛰는 로봇 휴보의 비밀은 발바닥에 있다? http://daedeokvalley.tistory.com/172
옷 벗은 휴보, 휴보 누드사진 http://daedeokvalley.tistory.com/181

 

 

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posted by 이재형 과학이야기

허리가 아프다는 분들 재활치료 때 바른 자세로 걷는 게 개선의 지름길이라고 합니다.

올바른 걸음걸이는 발뒤꿈치부터 시작해 발의 중앙과 앞부분이 차례대로 닿아야 한다는 데요. 하지만 오랜 습관은 이를 어렵게 하지요.

한국표준과학연구원(KRISS) 질량힘센터 김종호 박사팀이 촉각센서와 LED를 이용해 올바른 걸음걸이를 확인할 수 있는 스마트 신발을 개발했습니다.

이 신발은 힘 또는 압력의 세기를 측정할 수 있는 촉각센서와 빛을 발하는 LED로 구성되는데요. 압력에 반응하는 촉각센서는 신발의 앞, 중간, 뒷부분에 각각 배치됐고, 이는 빨강, 초록, 파랑의 색 조합이 가능한 LED 6개와 연결돼 있습니다.
 

촉각센서와 LED가 융합된 모듈로 시범 제작된 신발촉각센서와 LED가 융합된 모듈로 시범 제작된 신발


이 신발을 신고 바르게 걸으면 3가지 색이 모두 나타나고요. 그렇지 않을 경우, 일부만 색이 나오기 때문에 잘못된 보행습관을 알고 개선할 수 있는 것입니다.

특히, 이 신발이 기존 제품에 비해 갖는 가장 큰 차이점은 신발 위치에 따라 가해지는 압력을 구분하고, 이를 빨강, 초록, 파랑의 색 조합이 가능한 RGB LED로 가시화하는 것입니다. 

기존 유사 제품의 경우 단일 LED와 가속도센서로 연결돼 걸음걸이에 따른 다양한 색상 및 패턴을 구현하지 못했습니다.

또 이 신발에 사용된 촉각센서는 0.2mm 이내 두께를 갖는 필름형태로 깔창에 삽입돼 있고요. 사용자는 LED 모드를 변경해 자신만의 색과 패턴을 개성으로 표현할 수도 있습니다.
 

촉각센서와 LED가 융합된 모듈촉각센서와 LED가 융합된 모듈


이 신발은 스마트폰 어플이나 블루투스 기능을 이용해 신발의 각 위치별 촉각센서 반응을 실시간으로 확인할 수 있는데요.

스마트 신발과 연결된 스마트폰 어플스마트 신발과 연결된 스마트폰 어플 캡쳐 사진. 걸음걸이에 따른 발의 압력 위치가 그림으로 표현되고 이에 따른 정상걸음수를 확인 가능하다


이를 통해 보다 쉽게 자신의 보행 자세를 교정할 수 있고, 보행 모니터링으로 정상걸음의 횟수도 확인할 수 있습니다.

24시간 동안 지속되는 밧데리는 케이블로 충전할 수 있고요. 전력 소모를 줄이기 위해 촉각 센서만 작동시킬 수도 있습니다.

연구팀은 이번 연구와 관련해 7개 특허를 출원 및 등록 완료했고요. 추후 상용화를 위한 기술이전도 가능한 상태입니다.

 

 연 구 개 요


최근 웨어러블 기기 개발이 대두됨에 따라 스마트 신발을 통하여 걸음 수와 자세교정을 통하여 신체활동을 모니터링 하는 노력을 하고 있다. 기존 스마트 신발은 힘/압력을 측정하는 센서만을 사용하거나 단일 LED만을 사용하여 다양한 색상 구현이 되지 않았다.

그러나 본 연구에서 개발한 LED 스마트 신발은 촉각센서와 빨강, 초록, 파랑 색 조합이 가능한 RGB LED를 융합하여 발의 압력에 따라 빛의 세기 및 다양한 패턴을 만들어 낼 수 있다. 따라서 보행 모니터링을 통한 정확한 걸음 수 측정뿐만 아니라 LED 시각 피드백을 통한 걸음걸이 교정을 할 수 있다. 그리고 야간에 횡단보도, 도로 갓길 보행 시 안전을 제공할 수 있다. 또한 최근 자기만의 개성을 살리고자 패션에 신경을 쓰고 있는 세대에게는 다양한 색 표현이 가능한 LED 신발은 패션 아이템으로 활용될 수 있다.

올바른 걸음걸이를 위한 발의 착지 및 무게중심 이동을 체크하기 위하여 LED 스마트 신발에 사용된 촉각센서 수는 신발마다 3개로 뒤꿈치, 중간, 엄지발가락 부근에 각 각 배치하였다. 올바른 걸음 수는 뒤꿈치, 중간, 엄지발가락 부근에 위치한 촉각센서가 각 각 힘의 최대치가 나타날 때만을 고려하였다. 개발된 스마트 신발은 충전이 가능한 밧데리 방식을 채택하였고 LED 사용으로 인한 밧데리 소모를 줄이기 위해 촉각센서만을 작동시킬 수 있는 제어 기능을 부여 하였다.

사용된 촉각센서는 충격과 마모에 강하며 0.2 mm 이내 두께를 갖는 필름형태이기 때문에 신발 깔창에 삽입이 가능하여 발의 압력을 정확히 측정할 수 있는 장점이 있다. 스마트폰을 통한 스마트 신발의 LED 제어 및 촉각센서 데이터 획득을 위해 블루투스기반 모듈을 개발하여 사용 편의성을 제공하였다. 또한 스마트폰이 없을 경우 스마트 신발만으로 촉각센서를 통하여 LED 제어할 수 있는 기능을 부여하였다.

연구팀은 본 기술과 관련하여 국내/외 7개 특허를 출원 및 등록했으며, 앞으로는 신발, 안전 관련 업체와 협력해 상용화를 추진할 계획이라고 밝혔다. 또한 향후에 수십 개로 이루어진 다채널 촉각센서를 신발에 적용하여 더 정확한 발의 힘/압력 분포를 측정하여 치매, 낙상 등 조기예측 및 중풍, 당뇨병 등 재활 모니터링을 계획하고 있다. 그리고 밧데리 방식이 아닌 에너지 자가발전 기술 역시 관련기관과 공동으로 개발하여 남녀노소 언제든 사용 가능한 건강 모니터링 LED 스마트 신발 개발 계획을 밝혔다.

한편, 촉각센서와 LED 융합기술은 힘, 압력의 세기에 따라 다양한 색 및 패턴이 가능하기 때문에 스마트폰/태블릿 PC, 자동차 그리고 가전제품용 스위치 및 버튼에 적용되어 사용자에게 감성을 제공할 수 있다. 또한 향후에는 스마트 TV 리모콘, 키보드, 게임기 그리고 감성로봇 등 다양한 분야에 적용될 것이다.

 

 김 종 호 박사 프로필


김종호 박사김종호 박사

1. 인적사항
○ 성 명 : 김 종 호
○ 소 속 : 한국표준과학연구원 기반표준본부 질량힘센터
○ e-mail : jhk@kriss.re.kr

2. 학력
○ 1992 경북대학교, 기계공학과 학사
○ 1994 KAIST, 기계공학과 공학석사
○ 2001 KAIST, 기계공학과 공학박사

3. 경력사항
○ 2002.1 – 2002. 3, Wisconsin-Madison, 의공학과, 방문연구원
○ 2001 – 2010, 한국표준과학연구원 선임연구원
○ 2012 – 2013, 감성터치협의회, 기술이사
○ 2011 – 현재 한국표준과학연구원 책임연구원

4. 전문 분야 정보
○ 촉각센서/액츄에이터 분야

5. 발표논문 및 특허
○ "Tactile sensor for curved surfaces and manufacturing method thereof“, No. 8049591, 미국특허등록, 2011
○ "접촉힘 세기 또는 압력 세기를 감지하는 촉각센서가 구비된 조도 조절 가능한 전계 발광소자, 이를 포함하는 평판표시장치, 이를 포함하는 휴대기기 키패드 및 이의 작동방법“, No. 1071672, 국내특허등록, 2011
○ "곡면형 촉각센서 및 그 제조방법“, No. 1258897, 국내특허등록, 2013
○ "촉각센서의 곡면 부착구조 및 촉각센서의 곡면부착방법“, No. 1312553, 국내특허등록, 2013
○ "Structure and method for attaching tactile sensor to curved surface“, No. 8564397, 미국특허등록, 2013
○ "스마트 엘이디 신발“, No. 10-0104438, 국내특허출원, 2014
○ "촉각센서와 발광소자를 융합한 스마트 스위치 및 그 제어방법“, No. 10-0033225, 국내특허출원, 2015

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posted by 이재형 과학이야기

아침 산책길에 이슬을 머금어 영롱하게 빛나는 거미줄.잘 보이지도 않을 정도로 가는 거미줄이지만, 그 강도는 놀랄만합니다.

거미줄은 강철에 버금가는 강도는 물론 매우 높은 인성까지 있어 기계적으로 매우 우수한 섬유인데요. 이를 이용하면 방탄복, 초고장력 케이블 등의 제품을 만들 수 있구요. 게다가 생체적합성을 지녀 상처의 봉합, 인공장기 제장 등에서 매우 유용하게 사용될 수 있습니다.

하지만 자연산 거미줄을 배양하는 것은 사실상 불가능한데요. 거미는 누에처럼 고치를 만들지도 않을 뿐만 아니라, 양식을 하려 해도 영역을 이루고, 다른 거미와 싸우는 습성 때문에 경제성이 없기 때문입니다.

이에 따라 세계의 많은 연구진들은 거미줄과 유사한 조직을 만드는 자연모사 인공섬유 개발에 열을 올리고 있는데요.

하지만, 박테리아 유전자에 거미줄 단백질을 삽입해 생체 섬유를 만들려는 시도는 시행착오에 의존해 진행된 실험이 대부분인 실정입니다.
 

거미줄 모사 인공 생체섬유 개발 성공

KAIST 기계공학과 유승화 교수팀은 컴퓨터 모델링을 이용해 거미줄을 모사한 인공 생체섬유를 최근 개발했습니다.
 

KAIST 기계공학과 유승화 교수팀이 합성에 성공한 인공거미줄KAIST 기계공학과 유승화 교수팀이 합성에 성공한 인공거미줄

 

이번 연구로 앞으로 자연에서 생성되는 다양한 생체섬유의 합성과정에 대한 이해가 가능해져 거미줄에 버금가는 인공 생체섬유의 설계 제작을 앞당길 것으로 기대되는데요.

연구팀은 예측 가능한 모델링을 기반으로 다양한 단백질을 선제적으로 탐색하고, 인공 거미줄 설계 및 제작과정에 반영해 기존의 시행착오를 극복했습니다.

거미줄은 물속에서 안정성을 갖는 친수성과 반대로 물과 쉽게 결합되지 않는 소수성을 가진 영역이 교차로 존재하는 펩타이드 단백질이 가교를 이루며 결합한 구조인데요.

거미줄은 거미의 실 분비 기관인 실샘에 존재하는 단백질 용액이 실관을 통과하며 전단유동을 통해 고체화돼 형성됩니다.

연구팀은 새롭게 개발된 컴퓨터 모델을 이용해 다양한 종류의 단백질 용액의 전단유동 하에서의 변화를 조사, 이를 통해 단백질의 아미노산 체인이 충분히 길면서 적절한 비율의 소수성과 친수성 영역을 가질 때만 단백질 간의 연결도가 급격히 증가해 높은 강성과 강도를 갖는 생체섬유 합성이 가능하다는 것을 밝혔습니다.

전단유동 전후의 단백질 용액 모델링 결과 및 네트워크 연결도 분석 결과전단유동 전후의 단백질 용액 모델링 결과 및 네트워크 연결도 분석 결과 - 균일하게 연결되어 있던 단백질 네트워크가, 전단유동을 거치면서 유체 흐름 방향으로 정렬된 더 높은 밀도의 연결도를 가진 네트워크로 바뀌는 것을 볼 수 있으며, 이로 인해 더 높은 강성과 강도를 갖게 된다. 모델링을 통해 이러한 네트워크 연결도 증가는 적절한 친수성-소수성 아미노산 비율을 갖고 길이가 충분히 긴 단백질에 대해서만 관찰되는 것을 확인하고, 이를 실험에 반영하여 인공 거미줄 합성에 성공하였다.



이를 통해 연구팀은 모델링으로 제시된 단백질을 박테리아의 유전자 조작으로 합성, 실관을 모사한 방적과정을 통해 인공 거미줄을 제작하는 데 성공했습니다.

연구팀은 강한 거미줄 생성 원리가 밝혀지기 시작했기 때문에 향후에는 실제 거미줄 강도에 버금가는 생체 섬유 제작이 가능할 것으로 전망하고 있는데요.

또 생체 적합성을 갖기 때문에 인체 내에서도 부작용이 발생하지 않아 바이오메디컬용으로 사용이 가능할 것으로 보고, 궁극적으로는 부작용이 없는 바이오메디컬에 특화된 생체 섬유 제작을 목표로 하고 있습니다.

이번 연구는 체계적 설계를 통한 인공 생체섬유의 제작이 가능함을 증명한 것으로, 향후 인공 생체섬유 합성의 새 가능성을 열은 것으로 평가받고 있습니다.

한편, 이번 연구에는 미국 매사추세스 공대, 플로리다 주립대, 터프츠 대학 등이 참여했고, 연구 결과는 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 5월 28일자 온라인 판에 게재됐습니다.

 

 연 구 개 요


거미줄은 강철에 버금가는 강도와 Kevlar에 버금가는 인성(섬유가 끊어질 때까지 흡수하는 에너지)를 가지는 매우 뛰어난 기계적 성질을 지니고 있으며, 생체적합성을 지니고 있어서 상처봉합이나 인공장기 등 다양한 바이오메디컬 분야에 응용이 가능하다.

그러나 거미는 누에처럼 고치를 만들지도 않고 자기영역을 침범하면 싸우기 때문에 사육을 통한 거미줄을 생산 방법은 경제성이 없고, 유전자 조작을 통한 인공거미줄 제작이 많이 시도되어 왔다. 그러나 실샘에 있던 거미줄 단백질 용액이 실관을 따라 이동하며 자가조립을 통해 거미줄이 만들어지는 과정을 실험을 통해 밝히기 어려웠으며, 원자레벨의 시뮬레이션은 다수 거미줄의 상호작용을 모사하기에 충분히 효율적이지 않아서, 인공거미줄의 설계와 구현에 많은 어려움이 존재하였다.

본 연구에서는 다수의 거미줄의 상호작용을 모사할 수 있는 간단하지만 효율적인 컴퓨터 모델을 개발하여 거머줄의 조립에 영향을 미치는 인자들을 밝혀내었고, 박테리아에 유전자 조작을 통하여 실제와 유사한 재조합 거미줄 단백질을 합성한 후, 거미실관과 유사한 유체흐름(전단유동*)을 모사한 공정을 통해 인공거미줄을 제작하였다.

연구진은 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 거미줄 단백질이 녹아있는 용액이 미세한 관을 통해 배출되는 방적과정을 통해 분자들이 한쪽방향으로 정렬되어 높은 강도의 섬유를 만드는 것을 알아내었다. 거미줄 단백질 분자는 친수성과 소수성 영역이 교차로 존재하는 고분자이고, 전단유동을 통해 유속 방향으로 정렬하며 서로 다른 분자들의 소수성 영역끼리 가교를 만들고 연결도가 좋아지면서 높은 강성과 강도를 갖게 된다. 소수성 영역의 비율이 너무 적으면 강성이 약해지고 너무 많아지면 거미줄이 생성되지 않고 뭉치기만 한다는 사실을 밝혀내어, 적절한 비율의 단백질 합성이 중요함을 밝혀내었다. 또한, 거미줄 단백질 길이가 충분히 길어야만 전단유동 과정을 통해 연결도가 좋아진다는 사실을 밝혀내었다.

박테리아 유전자 조작을 통한 단백질 합성 과정은 수개월이 걸리기 때문에, 시뮬레이션을 통한 다양한 친수성-소수성 영역 비율과 길이를 가진 단백질의 선제적 탐색은 매우 중요하다. 시뮬레이션을 통해 제시된 단백질은 박테리아 유전자 조작을 통해 합성되었고, 거미실관을 모사한 주사기를 이용한 간단한 방적과정을 통해 인공거미줄이 합성될 수 있었다. 상온의 단백질 수용액에 기반한 본 연구진의 제작방식은 추후 대량생산으로 전환되기에 용이할 것으로 보인다.

본 연구를 통해 생산된 인공거미줄의 강도와 탄성은 자연의 거미줄에 비해 아직 미흡하지만, 근본적인 거미줄 자가조립과정을 이해하기 시작한 것에 큰 의의가 있으며, 추후에는 원하는 대로 강도, 인성, 탄성을 조절할 수 있는 인공 거미줄 제작 공정 및 그 응용 방법을 개발하는 것이 궁극적 목표이다.


  용 어 설 명

전단유동
전단유동유체의 흐름방향과 수직하게 변하는 유속의 분포가 존재할 때, 유체 혹은 유체 내의 물질은 전단력을 느끼게 되는데, 이런 형태의 유체흐름을 전단유동이라고 한다. 유체와 고체의 마찰력 때문에 강물의 유속은 중앙부분이 가장자리보다 빠르고, 마찬가지로 주사기 바늘 속의 유체의 흐름도 가운데가 가장자리보다 빠른데, 이와 같은 유체의 흐름이 전단유동의 예이다. 

 

 유승화 교수 이력사항

□ 인적사항
KAIST 기계공학과 조교수
E-mail: ryush@kaist.ac.kr

□ 학 력
2000. 03 ~ 2004. 02 학사 KAIST 물리학과
2004. 09 ~ 2006. 01 석사 Stanford University 물리학과
2004. 09 ~ 2011. 09 박사 Stanford University 물리학과

□ 경 력
2011. 10 ~ 2012. 03 연수연구원 Stanford University 기계공학과
2012. 04 ~ 2013. 01 연수연구원 MIT 건설 및 환경공학과
2013. 07 & 2014. 07 방문교수 University of Trento 건설환경기계공학과
2013. 02 ~ 현재 조교수 KAIST 기계공학과

□ 연구 분야
물질의 강도와 어셈블리를 결정하는 근본적인 메카니즘을 나노부터 벌크까지 다양한 스케일의 이론과 모델링을 통해 이해하고, 기계적으로 강건한 신물질 합성에 적용하는 것이 핵심 연구 주제이다.
나노물질-고분자 복합재, 그래핀, 금속 유리, 나노결정 등 다양한 물질들의 합성과 기계적 성질에 대한 멀티스케일 모델링 연구를 진행하고 있다.

□ 수상 실적
2013-2014 University of Trento, Invited Professor Grant
2006-2008 Stanford Graduate Fellowship

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posted by 이재형 과학이야기