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‘슝’ 스스로 움직이는 생명체 세포로봇 개발
현재 전 세계적으로 마이크로 및 나노급의 작은 입자 기반의 비생명체 자가 추진 로봇 기술은 활발하게 연구되고 있는 반면에, 세포와 같은 생명체 구성 요소를 직접 활용한 세포로봇 연구는 아직 초기 단계에 머물러 있다. 우리 연구진이 세포 기반 시스템의 자율적으로 이동하는 세포로봇을 개발하는데 성공했다. 향후 정밀 약물 전달이나 차세대 세포 기반 치료법의 원천기술로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
우리 대학 화학과 최인성 교수 연구팀이 외부 동력 장치나 복잡한 기계 구조 없이, 생체 부산물인 ‘요소(urea)’*를 연료로 사용하는 자가 추진 세포로봇을 개발했다고 30일 밝혔다.
*요소(urea): 사람을 포함한 대부분의 동물 체내에서 단백질을 분해하면서 생기는 노폐물로 생명체 안에서는 단백질 대사 과정에서 암모니아를 독성이 낮은 형태로 전환하여 배출하는 중요한 역할을 함
연구팀이 구현한 세포로봇은 방향성을 갖고 스스로 이동할 수 있으며, 원하는 물질을 운반하거나 주변 환경 제어 기능을 탑재할 수 있는 다기능성 플랫폼으로 설계됐다.
연구팀은 쉽고 안정적으로 얻을 수 있는 생명체이면서 부산물로 생성된 에탄올 활용 가능성이 있고, 인공적인 복잡한 외부 장치 없이 생명체 스스로 만들어내는 물질을 활용할 수 있는 ‘효모’에 주목했다.
제빵과 막걸리 발효에 사용되는 효모(이스트, yeast)는 포도당을 분해해 에너지를 얻는 대사 과정에서 알코올(에탄올)을 부산물로 생성하는데, 연구팀은 이때 생성된 에탄올을 활용해 효모 표면에 생체친화적인 방식으로 나노 껍질을 형성할 수 있는 원천기술을 개발했다.
이를 위해, 알코올산화효소(AOx)와 겨자무과산화효소(HRP)로 구성된 효소 시스템을 도입했다. 이 효소 시스템은 효모의 포도당 분해 반응과 연계된 연쇄적 효소 반응을 유도하며, 그 결과로 멜라닌 계열의 나노껍질이 효모 표면에 형성된다.
특히, 이번에 개발된 화학적 방법론은 효모가 성장하고 분열하는 동안에도 나노껍질 형성이 지속적으로 일어나도록 설계돼 있어서, 세포의 형태 변화에 따라 비대칭적인 세포-껍질 구조가 자연스럽게 생성된다.
예를 들어, 분열 중인 세포 전체를 감싸는 껍질이 형성되기도 하지만, 모세포 부분에는 껍질이 생성되고 딸세포 부분에는 형성되지 않는 구조도 만들어진다.
연구팀은 세포를 감싸는 나노껍질에 우레아제(urease)*를 부착하고 세포로봇의 움직임을 관찰했다. 우레아제는 요소를 분해하는 촉매 역할을 하며 세포로봇이 스스로 움직일 수 있도록 구동력을 만들어내는 핵심 역할을 수행하며 비대칭 구조를 가진 세포로봇이 보다 명확한 방향성을 갖고 자가 추진하는 현상을 확인했다.
*우레아제(urease): 요소를 분해해 암모니아와 이산화탄소를 만드는 효소
이번에 개발된 세포로봇은 세포 주위에 존재하는 물질만으로 자가 추진이 가능하고, 자석이나 레이저 등 복잡한 외부 제어 장치에 의존하지 않아 구동 메커니즘이 훨씬 간단하고 생체친화적이다. 또한, 나노껍질에 다양한 효소를 화학적으로 접합할 수 있어, 다양한 생체 물질을 연료로 활용하는 세포로봇의 확장 개발도 가능하다.
이번 연구의 제1 저자인 화학과 김나영 박사과정은 “자가 추진 세포로봇은 스스로 환경을 감지하고 반응하며 움직이는 능력을 지닌 새로운 개념의 플랫폼으로, 향후 암세포 표적 치료나 정밀 약물전달시스템 등에서 중요한 역할을 할 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구는 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 지난 6월 25일 오후 2시(미국 동부시각) 온라인판에 게재됐다.
※ 논문명 : Autonomous Chemo-Metabolic Construction of Anisotropic Cell-in-Shell Nanobiohybrids in Enzyme-Powered Cell Microrobots; 국문 번역 : 효소 구동 세포 마이크로로봇 구축에서의 자율적인 화학-대사 반응을 통해 형성된 비등방성 세포내껍질 나노바이오하이브리드
※ DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.adu5451
한편, 이번 연구는 한국연구재단 기초연구사업 중견연구과제(제목: 세포대사 연계형 단일세포나노피포화)의 지원을 받아 수행됐다.
2025.06.30
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로봇 제어 최적화 알고리즘에 인간이 필요하다
우리 대학 기계공학과 공경철 교수가 포함된 국제공동연구팀이 로봇의 성능을 최적화하는 과정에 사람을 포함시킴으로써, 인적 요소(Human factor)를 로봇의 제어 알고리즘에 충분히 반영하는 방법인 힐로(HILO, Human-in-the-loop optimization)에 대한 연구를 네이처 본지(IF 50.5)에 발표했다고 4일 밝혔다.
이 논문은 공경철 교수 이외에도 스탠퍼드 대학의 Steven H. Collins(스티븐 콜린스) 교수, 하버드 대학의 Patrick Slade(패트릭 슬래드) 교수 등이 참여했다. HILO 방법의 핵심 연구자들이 모여 이론에 대한 설명과 응용 분야, 발전 방향까지 총망라하였고, 견해(Perspective)를 발표했다.
이 연구를 통해 로봇이 우리의 일상에 깊이 침투할수록, 그 로봇은 개별 사용자에게 적합하도록 계속해서 개발되어야 한다고 밝히고 있다. HILO 방법이 이러한 난제를 해결하고, 우리의 일상에 로봇이 더욱 가까이 다가오게 할 것이라고 말한다.
로봇은 이제 우리 일상에서 쉽게 만날 수 있으며 인간과 로봇이 서로 복잡하게 상호작용하는 경우가 빈번하게 발생하고 있다. 공장에서 협동 로봇과 사람이 함께 물건을 들어 나르기도 하고, 반자율주행 자동차의 운전자는 제어알고리즘과 동시에 차량을 운전한다.
웨어러블 로봇의 경우에는 로봇과 사람이 함께 하나의 동작을 만들어내는 극단적인 경우이다. 이외에도 사람과 로봇이 어우러져 협동하는 경우는 흔하게 찾아볼 수 있다.
이처럼 로봇이 사람과 복잡한 상호작용을 하게 되면, 로봇의 성능을 원하는 만큼 이끌어내기가 쉽지 않다. 사람마다 서로 다른 행동 특성이 로봇의 동역학적인 특성에 영향을 끼치기 때문이다. 이 경우, 로봇이 사람과 동떨어져 동작하는 것보다는 로봇의 정밀도나 안전성을 확보하는 것이 훨씬 까다로워진다. 우리가 흔히 보는 바리스타 로봇이 유리장 안에 갇혀 있는 이유이기도 하다.
이와 같은 문제를 해결하기 위하여 HILO(Human-in-the-loop optimization) 방법이 제안됐다. 로봇과 사람을 별개의 시스템으로 간주하는 것이 아니라, 하나의 통합된 시스템으로 간주하여 최적화를 진행하는 방식이다.
이를 통해 HILO 방법은 로봇과 사람이 상호작용하는 시스템을 제어함에 있어 ‘개인 맞춤형 자동 최적화’라는 혁신적인 방향성과 가능성을 제시했다.
공경철 교수(KAIST 기계공학과, ㈜엔젤로보틱스 대표이사)는 “연구하고 있는 웨어러블 로봇의 경우에는 인적 요소가 매우 강하게 작용한다. 사람마다 적절한 보행 패턴이 다르고, 같은 장애물이라도 극복하는 방법이 모두 제각각이기 때문이다”라고 말했다. 또한 “㈜엔젤로보틱스에서는 HILO 방법을 이용해 하반신 마비 장애인이 착용한 웨어러블 로봇의 성능을 개인맞춤형으로 최적화했고 앞으로 웨어러블 로봇의 온라인 자동최적화 기능을 상용화할 계획을 갖고 있다”고 강조했다.
실제로 공 교수가 개발해 상용화된 웨어러블 로봇은 사람마다 특성을 다르게 최적화할 수 있도록 알고리즘이 설계되어 있고, 현재 데이터 클라우드를 이용하여 병원-가정-일상에 이르는 다양한 환경에서 자동으로 최적화를 진행할 수 있도록 연구를 진행하고 있다.
로봇이 우리의 일상에 깊이 침투할수록, 그 로봇은 개별 사용자에게 적합하도록 계속해서 튜닝되어야 한다. HILO 방법이 이러한 난제를 해결하고, 우리의 일상에 로봇이 더욱 가까이 다가올지 기대된다.
한편 HILO에 대한 논문은 2024년 9월 네이쳐 본지(Vol 633, p.779)에 발표됐다.
(논문명 : On human-in-the-loop optimization of human–robot interaction)
2024.10.04
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이창옥 교수, 대한수학회 2020년 학술상 수상
우리대학 수리과학과 이창옥 교수가 대한수학회의 2020 학술상 수상자로 선정됐다.
대한수학회가 다년간 우수한 연구 업적을 낸 회원에게 수여하는 상으로 이 교수는 건축, 구조해석 등의 기본인 유한요소법(대상을 유한개로 분할해 각 영역에 대한 계산을 하는 기법)으로 수학 문제를 풀 때 시간을 줄이는 병렬계산 영역분할법을 개발했다. 최근에는 의료영상 데이터 연구에 편미분방정식 등에 기반한 영역분할법을 적용하면서 유한요소법의 응용 범위를 확장하고 있다.
시상식은 10월 23~24일 온라인으로 열리는 대한수학회 정기총회 및 가을 연구발표회에서 진행될 예정이다.
2020.10.23
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성풍현 교수, 돈 밀러 어워드 수상
〈 성풍현 교수 〉
우리 대학 원자력 및 양자공학과 성풍현 석좌교수가 미국원자력학회 ‘돈 밀러 어워드(Don Miller Award)’ 수상자로 선정됐다.
돈 밀러 어워드는 2009년 원자력 계측제어 분야의 대가이자 미국원자력학회장을 역임한 도날드 W. 밀러(Donald W. Miller) 교수를 기리기 위해 제정됐으며, 원자력 계측제어와 인간기계인터페이스 분야 발전에 가장 뛰어난 공헌을 한 개인 또는 단체에 주어진다.
시상식은 오는 6월 10일 미국 미네아폴리스에서 열리는 2019년도 미국원자력학회 총회에서 개최될 예정이다.
성풍현 석좌교수는 우리나라 원자력계측제어와 인적요소공학 분야를 처음으로 개척했으며 뛰어난 연구성과와 후학양성을 통해 전 세계 원자력계로부터 그 성과와 기여를 크게 인정받고 있다.
성 교수는 원자력 분야 종합 국제학술지인 ‘뉴클리어 엔지니어링 & 테크놀로지(Nuclear Engineering and Technology)’의 초대 편집장, 한국원자력학회 회장, 미국원자력학회 원자력계측제어 및 인적요소분과 회장, 다수의 국제학회에서 의장으로 활동하는 등 국제 학술활동에서 선도적인 리더 역할을 했다.
2017년에는 그 역량과 공을 인정받아 미국원자력학회의 석학회원으로 선출된 바 있다. 대한민국 원자력안전위원회 위원을 역임하고, 현재는 대한민국 원자력진흥위원회 위원이다. 올해부터는 세계원자력학회연합회 (International Nuclear Societies Council)의 수석부의장으로 활동하고 있으며, 2021년부터 의장으로서 전 세계 원자력학회들의 협력 활동을 관장하는 임무를 수행할 예정이다.
더불어 현재 에너지 정책 합리화를 위한 교수협의회(에교협)의 공동대표로서 합리적인 국가 에너지 정책 수립에 노력하고 있다.
성 교수는 “우리나라는 현재 원자력계측제어와 인적요소공학 분야에서 세계적으로도 가장 왕성한 연구 활동을 수행하고 있는 나라 중의 하나이다. KAIST에서 해당 분야 박사학위를 마친 사람 중 여러 명이 우리나라와 미국에서도 교수로 왕성하게 활동 중이다.”라며 “이런 이유들로 수상하게 됐다고 생각한다. 이 수상이 우리나라 원자력의 어려운 시기에 작게나마 희망의 불꽃이 되기를 기대한다”라고 말했다.
2019.04.11
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융합형 보안기술연구센터 참여, '2008 대한민국 보안기술 논문대상 공모전'에서 수상
우리학교 융합형 보안기술연구센터(소장:이흥규) 대학원생들이 참여한 ‘2008 대한민국 보안기술 논문대상 및 아이디어 공모전’에서 이경균(생명공학과, 박사과정)군이 보안요소기술 분야에서 최우수상을 수상했다. TD/ID 보안기술 분야에서는 정원석(전기및전자공학과, 박사과정), 최정호(전산학과, 석사과정)군이 우수상을 류승진(전산학과, 석사과정)군이 장려상을 각각 차지했다.
보안요소기술, IT/ID보안기술 2개 분야에 논문 34편, 아이디어 22편이 접수되었으며 엄정한 심사 결과 최종 수상작 16편이 선정됐다.
이번 공모전은 보안기술 진흥과 대학생들의 연구의욕을 고취시키기 위해 한국조페공사가 마련했다. 지난 27일 시상식이 대전 컨벤션 센터에서 열렸다.
※ 수상내역
성명 : 이경균(Lee, Kyoung Gyun., 박사과정), 생명화학공학과
수상내용 : 최우수상
논문명(국문) : 형광 자성체 제조 방법 및 보안 요소로의 응용성
논문명(영문) : The fabrication method of fluorescent magnetic nanoparticles and its applications지도교수 : 김도현
학생이름 : 정원석(Jeong, Won Seok, 박사과정), 전자전공
수상내용 : 우수상
논문명(국문) : HF대역 RFID 리더-태그간 자계결합 차단 방법에 관한 연구
논문명(영문) : Method for Blocking Magnetic Coupling between Reader and Tag for HF RFID
지도교수 : 유종원
성명 : 최정호(Choi, Jung Ho, 석사과정), 전산전공
수상 내용 : 우수상
논문명(국문): 컬러 노이즈를 이용한 컬러 프린터 판별 기술
논문명(영문): Color Printer Identification using Color Noise Features
지도교수 : 이흥규
성명 : 류승진(Ryu, Seung-Jin, 석사과정), 전산전공
수상 내용 : 장려상
논문명(국문): 특징점 분석과 SVM 분류기를 이용한 위조 문서 탐지 기법
논문명(영문): Document Forgery Detection with SVM Classifier and Features Analyses
지도교수 : 이흥규
2008.11.28
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성풍현 교수, 미국원자력학회 인간요소분과 회장에 선출
KAIST(총장 로버트 러플린) 원자력 및 양자공학과 성풍현(成豊鉉, 50)교수가 최근 미국 리노에서 개최된 미국원자력학회 연차대회에서 미국원자력학회(The American Nuclear Society) 인간요소분과(Human Factor Division) 회장(임기 1년)에 선출됐다.
미국원자력학회는 1954년 원자력 관련분야 전문가들에 의해 설립된 비영리, 국제 과학 및 교육단체이다. 인간요소분과는 미국원자력학회 18개 분과 중 하나로 전 세계 원자력분야 전문가 550여명이 회원으로 있다.
이 분과는 원자력 시스템에서 인간과 관련된 분야를 전담한다. 특히, 원자력 시스템의 계측 제어 계통 설계 분석과 주 제어실 인간 운전원의 작업 행태, 과실 등에 관련된 부분이 주 연구 분야다.
成 교수는 이 분야에서 뛰어난 학술연구업적과 활발한 국제 활동을 바탕으로 회장에 선출됐다.
2006.06.16
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