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김성용 교수, UN 제2차 세계 해양 환경 평가 보고서 공동 발간
우리 대학 김성용 기계공학과 교수가 공동저자로 참여한 국제연합(United Nations, UN)의 제2차 세계해양환경평가(Second World Ocean Assessment; WOA II) 보고서가 4월 22일 발간됐다.
세계해양환경평가 보고서는 전 세계 해양환경의 현재 상태를 종합적이고 통합적인 과학정보로 기술한 문서로 ʻ국제연합의 지속가능한 발전을 위한 국제해양과학 10개년 계획(United Nations Decade of Ocean Science for Sustainable Development)ʼ을 실질적으로 수행하는 중요한 보고서로 꼽힌다. 유엔(UN)은 각국 정부가 해양환경을 보호하기 위한 공동의 노력을 강화하고 정책결정자들의 의사결정을 지원하기 위해 사회경제적인 측면을 포함한 전 지구적 차원의 해양환경을 평가 및 보고하는 ʻ정규과정(Regular Process)ʼ을 수행해오고 있다. 2009년 열린 제64차 유엔총회에서 정규과정 1차 주기(2010~2014)를 승인해 ʻ제1차 세계해양환경평가(First World Ocean Assessment) 보고서ʼ가 2015년 완성됐다. 김 교수는 1차 보고서의 전문가 그룹으로 참여한 데 이어 2016년부터 4년간 진행된 2차 주기(2016-2020) 세계해양환경평가 보고서 제작에 공동 저자로 참여해 전 세계 300여 명의 다학제간 전문가들과 의견을 공유했다. 총 28장으로 구성된 보고서 중 김 교수는 제5장 해양의 물리적 및 화학적 상태과 제9장 기후 대기 변화에 따른 영향 등 2개의 장을 공동 집필했다.이번 보고서는 전 세계의 해양 환경을 평가하기 위해 추진력(Drivers)-압력(Pressure)-상태(State)-영향(Impact)-반응(Response) 등을 종합한 ʻDPSIRʼ의 개념을 적용한 것이 특징이다. 이를 통해, 전 세계 해양을 환경·경제·사회적 측면을 통합하여 분석했으며, 각 지역 해양환경 특성을 구체화한 유일한 보고서로 평가받고 있다.
또한, 유엔(UN)의 모든 회원국이 해양 평가 및 정책을 결정할 때 가장 먼저 반영해야 할 내용이 담겨 있어 현재까지 발간된 해양 관련 보고서 중 영향력이 가장 큰 학술적 성과로 꼽히고 있다.
김 교수는 "전 지구적인 기후변화, 미세플라스틱, 후쿠시마 원전 오염수의 방류가 화두가 되는 시점에서 국가 간의 경계가 없이 전 세계 영향을 주는 해양에 관해 많은 관심과 연구가 필요하다ˮ라고 강조하며 "본 보고서가 각 국가의 해양상태를 판단하고 정책 입안에 기초자료가 되길 바란다.ˮ라고 소감을 전했다. 김 교수가 공동 저자로 참여한 보고서는 유엔(UN) 홈페이지에서 자세한 내용을 확인할 수 있다.
제2차 세계 해양 환경 평가 보고서 자세히 보기 (클릭☞) https://www.un.org/regularprocess/woa2launch
2021.04.26
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국내 최초로 ACM UIST서 최우수논문상 수상
우리 대학 산업디자인학과 안드리아 비앙키(Andrea Bianchi) 교수 연구팀이 지난달 23일 온라인으로 개최된 인간-컴퓨터 상호작용 분야 최우수 국제학술대회인 `ACM UIST 2020(The ACM Symposium on User Interface Software & Technology)'에서 상위 1%에게 주어지는 `최우수논문상(Best Paper Award)'을 수상했다고 18일 밝혔다.
ACM UIST에서 우리나라 주관기관이 최우수논문상을 수상한 것은 이번이 처음이다. 컨트롤러의 휨 강성을 실시간으로 조절해 가상 환경에서 사용자가 손으로 쥐고 움직이는 가상 물체를 사실적으로 체험할 수 있는 VR(가상현실) 컨트롤러인 `엘라스틱(ElaStick)'을 개발한 공로를 인정받았기 때문이다. (논문명 : ElaStick: A Handheld Variable Stiffness Display for Rendering Dynamic Haptic Response of Flexible Object)
이번 연구에는 산업디자인학과 유능 석사과정 학생이 제1 저자로 참여했다. 기존의 VR 컨트롤러 연구는 손에 쥐고 있는 가상 물체의 무게, 모양, 움직임을 표현하는 데에만 집중돼있어 사용자가 가상 물체를 쥐고 휘두를 때 발생하는 진동이나 갑작스럽게 움직임을 멈출 때 생기는 반동 등을 재현하는 데 많은 제약이 따랐다.
이 같은 문제점을 해결하고 높은 수준의 동역학적 반응을 제공하기 위해서는 물체의 모양, 크기, 재질과 관련된 물체의 강성을 고려해야 한다. 연구팀이 개발한 `엘라스틱(ElaStick)'은 모든 방향으로 자유롭게 휘어지는 구조물에 4개의 케이블을 연결하고, 각 케이블의 물질 조성을 조절해 전체 컨트롤러의 휨 강성 조절이 가능하다. 따라서 이 기술을 적용해 가상 환경에서 실시간으로 다양한 모양 및 크기를 가지는 가상 물체의 사실적인 일루젼(illusion)을 구현하는 데 성공했다.
연구팀은 엘라스틱(ElaStick)을 활용해 강성 변화에 따른 사용자들의 인지능력을 측정하는 한편 가상 물체를 재현했을 때 VR 경험의 사실감과 몰입감 그리고 즐거움이 크게 향상되는 것을 실험적으로 확인했다.
안드리아 교수는 "미국 MIT, 마이크로소프트, 독일 막스 플랑크 연구소 등 저명한 대학과 기관이 수상한 바 있는 UIST 최우수논문상을 국내 최초로 수상하게 돼 매우 기쁘다ˮ고 말했다. 그는 또 "엘라스틱(ElaStick)은 향후 원격 로봇수술, 의료수술, 게임 등 다양한 가상 환경에서 실용적이면서도 상업적 활용 가치를 기대할 수 있다ˮ고 덧붙였다.
한편, 이번 `ACM UIST 2020'에서 KAIST 산업디자인학과는 안드리아 교수팀의 최우수논문상 수상 외에도 남택진 교수 연구팀이 `어너러블멘션(Honorable Mention)' 논문상을 받았다.
남택진 산업디자인학과장은 "총 7개의 논문상 중 국내 최초의 최우수논문상 수상과 어너러블멘션 논문상의 동시 수상은 KAIST 산업디자인학과의 위상과 연구 우수성을 입증한 결과ˮ라고 강조했다.
관련 유튜브 영상: https://youtu.be/jfIsgFb6hTY
2020.11.20
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스스로 그림 그리는 인공지능 반도체 칩 개발
전기및전자공학부 유회준 교수 연구팀이 생성적 적대 신경망(GAN: Generative Adversarial Network)을 저전력, 효율적으로 처리하는 인공지능(AI: Artificial Intelligent) 반도체를 개발했다.
연구팀이 개발한 인공지능 반도체는 다중-심층 신경망을 처리할 수 있고 이를 저전력의 모바일 기기에서도 학습할 수 있다. 연구팀은 이번 반도체 칩 개발을 통해 이미지 합성, 스타일 변환, 손상 이미지 복원 등의 생성형 인공지능 기술을 모바일 기기에서 구현하는 데 성공했다.
강상훈 박사과정이 1 저자로 참여한 이번 연구결과는 지난 2월 17일 3천여 명 반도체 연구자들이 미국 샌프란시스코에 모여 개최한 국제고체회로설계학회(ISSCC)에서 발표됐다. (논문명 : GANPU: A 135TFLOPS/W Multi-DNN Training Processor for GANs with Speculative Dual-Sparsity Exploitation)
기존에 많이 연구된 인공지능 기술인 분류형 모델(Discriminative Model)은 주어진 질문에 답을 하도록 학습된 인공지능 모델로 물체 인식 및 추적, 음성인식, 얼굴인식 등에 활용된다.
이와 달리 생성적 적대 신경망(GAN)은 새로운 이미지를 생성·재생성할 수 있어 이미지 스타일 변환, 영상 합성, 손상된 이미지 복원 등 광범위한 분야에 활용된다. 또한, 모바일 기기의 다양한 응용 프로그램(영상·이미지 내 사용자의 얼굴 합성)에도 사용돼 학계뿐만 아니라 산업계에서도 주목을 받고 있다.
그러나 생성적 적대 신경망은 기존의 딥러닝 네트워크와는 달리 여러 개의 심층 신경망으로 이루어진 구조로, 개별 심층 신경망마다 다른 요구 조건으로 최적화된 가속을 하는 것이 어렵다.
또한, 고해상도 이미지를 생성하기 위해 기존 심층 신경망 모델보다 수십 배 많은 연산량을 요구한다. 즉, 적대적 생성 신경망은 연산 능력이 제한적이고 사용되는 메모리가 작은 모바일 장치(스마트폰, 태블릿 등)에서는 소프트웨어만으로 구현할 수 없었다.
최근 모바일 기기에서 인공지능을 구현하기 위해 다양한 가속기 개발이 이뤄지고 있지만, 기존 연구들은 추론 단계만 지원하거나 단일-심층 신경망 학습에 한정돼 있다.
연구팀은 단일-심층 신경망뿐만 아니라 생성적 적대 신경망과 같은 다중-심층 신경망을 처리할 수 있으면서 모바일에서 학습도 가능한 인공지능 반도체 GANPU(Generative Adversarial Networks Processing Unit)를 개발해 모바일 장치의 인공지능 활용범위를 넓혔다.
연구팀이 개발한 인공지능 반도체는 서버로 데이터를 보내지 않고 모바일 장치 내에서 생성적 적대 신경망(GAN)을 스스로 학습할 수 있어 사생활을 보호를 가능케 하는 프로세서라는 점에서 그 활용도가 기대된다.
모바일 기기에서 저전력으로 다중-심층 신경망을 가속하기 위해서 다양한 핵심 기술이 필요하다. 연구팀이 개발한 GANPU에 사용된 핵심 기술 중 대표적인 기술 3가지는 ▲적응형 워크로드 할당(ASTM, 처리해야 할 워크로드*를 파악해 칩 상의 다중-심층 신경망의 연산 및 메모리 특성에 맞춰 시간·공간으로 나누어 할당함으로써 효율적으로 가속하는 방법) ▲입출력 희소성 활용 극대화(IOAS, 인공신경망 입력 데이터에서 나타나는 0뿐만 아니라 출력의 0도 예측해 연산에서 제외함으로써 추론 및 학습 과정에서의 속도와 에너지효율 극대화) ▲지수부만을 사용한 0 패턴 추측(EORS, 인공신경망 출력의 0을 예측하기 위한 알고리즘으로 인공신경망 입력과 연결 강도(weight)의 부동소수점 데이터 중 지수 부분만을 사용해 연산을 간단히 수행하는 방법)이다.
위의 기술을 사용함으로써 연구팀의 GANPU는 기존 최고 성능을 보이던 심층 신경망 학습 반도체 대비 4.8배 증가한 에너지효율을 달성했다.
연구팀은 GANPU의 활용 예시로 태블릿 카메라로 찍은 사진을 사용자가 직접 수정할 수 있는 응용 기술을 시연했다. 사진상의 얼굴에서 머리·안경·눈썹 등 17가지 특징에 대해 추가·삭제 및 수정사항을 입력하면 GANPU가 실시간으로 이를 자동으로 완성해 보여 주는 얼굴 수정 시스템을 개발했다.
2020.04.06
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이성주 교수, 앱 시제품 제작 생산성 200배 향상 기술 개발
〈 박수영 연구원, 이성주 교수 〉
〈 김동휘 연구원 〉
우리 대학 전산학부 이성주 교수 연구팀 스마트폰 앱 개발에서 필수적인 시제품 제작 과정을 획기적으로 줄여 생산성을 200배 이상 높일 수 있는 기술을 개발했다.
김동휘, 박수영 박사과정, 고지훈 석사과정, 미국 버팔로 대학 스티브 고(Steve Ko) 교수가 참여한 이번 연구 결과는 인간-컴퓨터 상호작용, 사용자 인터페이스 분야 국제학회 ACM UIST에서 10월 21일 발표됐다. (논문명 : X-Droid: A Quick and Easy Android Prototyping Framework with a Single-App Illusion)
새로운 아이디어가 스마트폰 앱으로 만들어지기까지는 수많은 시간과 자원, 인력이 필요하지만 정작 앱을 만들어도 소비자의 수요를 충족시키지 못하거나 시장의 흐름을 놓치면 자원만 낭비하는 경우가 많다.
이러한 이유로 보통은 정식으로 제품을 개발하기 전에 작은 규모로 시제품을 먼저 개발해 시장성을 시험해보곤 한다. 아이디어와 신제품이 범람하는 환경에서 시제품을 빠르고 정확하게 만드는 것이 개발사 입장에서는 매우 중요한 일이다.
시제품 제작에 특화된 도구도 많아 쓰이는 도구, 서비스가 수천 가지가 넘는다. 이는 그만큼 업계에서 시제품 구현에 관심이 많고 수요가 많다는 것을 뜻한다.
그러나 기존에 존재하던 수많은 도구의 도움을 받더라도 결국 기능은 직접 구현해야 한다. 디자인이나 아이디어를 차용할 수는 있어도 프로그램은 시중에 공개되지 않은 이상 전부 직접 만들어야 한다.
이성주 교수 연구팀이 개발한 기술은 바로 이러한 한계를 극복했다. 연구팀은 이미 수백만 개에 달하는 스마트폰 앱들이 시장에 출시된 점에 착안해 새 앱 시제품을 만들 때 기존 앱의 기능을 추출해 활용할 수 있도록 하는 데 성공했다.
앱 개발자는 이 기술을 활용해 다양한 시제품 앱들을 만들어 시험해보고 가장 유용한 안을 선정해 정식으로 개발할 수 있다. 만약 다른 앱에서 추출한 기능을 포함한 시제품 앱을 그대로 출시하고자 한다면 기능을 추출해온 앱 개발자의 동의가 필요하지만, 배포하지 않고 내부에서 시험하는 것만으로도 정식 개발의 실패 가능성을 크게 줄일 수 있다.
연구팀의 기술은 기존 앱에서 필요한 기능이 있을 때 그 앱을 시연하면 자동으로 해당 기능이 추출되고 개발자가 활용할 수 있는 프로그램 코드로 변환된다.
예를 들어 스마트폰 사용자의 수면을 감지해 자동으로 알림을 끄는 기능의 시제품을 만들기 위해서는 수면 상태를 추적하는 복잡한 기술이 필요하지만, 연구팀의 기술을 활용하면 단순히 시중의 수면 분석 앱으로부터 해당 기능을 추출해 시제품 제작에 활용할 수 있다.
연구팀은 현직 스마트폰 앱 개발자와의 실험을 통해 최소 1만 줄 이상의 프로그램 코드 작성이 필요한 개발 과정을 연구팀이 개발한 기술을 적용하면 불과 50여 줄의 코드 작성으로도 시제품을 개발할 수 있음을 확인했다.
이는 시제품 앱 개발에 필요한 프로그램 작성이 200배가량 줄어든 것으로 기존의 스마트폰 앱들을 활용하고 기계가 자동으로 프로그램을 작성하도록 함으로써 개발 비용을 획기적으로 줄인 것이다.
이성주 교수는 “기존 다른 앱의 기능을 코드 없이도 구현할 수 있는 기술로 시연을 통한 프로그래밍 기술을 활용하고 또 다른 앱과의 상호작용이 모두 백그라운드에서 이루어지게 하는 기술이다”라며 “개발자가 실제로는 자신의 앱과 다른 앱을 동시에 다루지만 마치 한 개의 앱으로 작업하는 듯한 효과가 있었으며, 새 앱 기능을 손쉽고 빠르게 구현해 더 많은 유용한 앱 출현을 기대할 수 있게 됐다”라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 차세대정보컴퓨팅기술개발사업과 산업통상자원부, 한국산업기술진흥원 국제공동기술개발사업의 지원을 통해 수행됐다.
연구에 대한 설명과 시연이 담긴 비디오를 다음 링크에서 확인할 수 있고, ( https://www.youtube.com/watch?v=5pF5kGq-lDU ) 자세한 정보는 프로젝트 웹사이트에서 볼 수 있다. ( https://nmsl.kaist.ac.kr/projects/xdroid/ )
□ 그림 설명
그림1. 연구팀이 개발한 기술이 구현된 개발자 도구
2019.11.12
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원자력및양자공학과, 미시간대학교 개리 와스 교수 초청 강연 개최
우리 대학 원자력 및 양자공학과는 지난 11월 5일 원자력 재료 분야의 세계적인 석학인 미시간대학교 개리 와스(Gary Was) 교수의 Distinguished Lecture Series를 개최했다.
연사로 초청된 개리 와스 교수는 1980년 MIT에서 원자력공학 박사학위를 취득한 후 미시간대학교 교수로 부임한 이래 40년 가까이 활발한 연구 활동을 지속하며 270여 편의 연구논문을 발표하고 200회 이상의 강연에 초청받은 석학이자, 현재 원자력 분야 최고 저널인 Journal of Nuclear Materials 의 편집장을 맡고 있다.
강단에 선 와스 교수는 원자력의 중요성이 인류의 현안인 기후 변화에 대응하는 수단으로서 강조되고 있으며 이 같은 인식이 미국 언론 및 정치권에서 중요한 화두로 다뤄지고 있다고 소개했다.
특히, 최근 혁신적인 신개념 중소형 원자로개발을 위한 법령이 공화당과 민주당 양당의 전폭적인 지지를 받은 이례적인 사례도 강조했다. 미국의 저탄소(carbon-free) 발전의 3분의 2를 원자력이 담당하고 있으며 원자력이 기여한 총 탄소저감량이 신재생을 포함한 다른 모든 발전원들보다도 많다는 점을 이러한 현상의 배경으로 설명했다.
또한, 원전의 우수한 안전성과 성능에 기반해 미국 내 대다수 원전이 60년 장기 운전을 허가받았으며 일부는 80년까지의 장기 운전을 추진하고 있다는 것을 소개했다.
와스 교수는 계획된 예산과 기간 내에 신규 원전을 건설할 수 있는 한국 원전산업의 능력은 한국은 물론 전 세계의 지구온난화 문제를 해결할 수 있는 소중한 자산이며, 한국은 미국보다 최소 3배 이상 낮은 가격으로 원전을 건설할 수 있게 하는 경쟁력을 가졌다고 평가했다. 이러한 한국의 원전산업이 위기에 처한 현 상황을 매우 안타까워하며, 향후 원자력에 대한 한국의 정치적 환경이 조속히 변화되길 바란다고 의견을 밝혔다.
마지막으로, 와스 교수는 원전의 장기 운전과 혁신적인 미래원자로개발에 따른 원자력재료 분야의 전망 및 도전 과제를 설명하고 이를 해결하기 위한 창의적인 접근법이 필요하다는 것을 사례와 함께 소개했다.
와스 교수는 "KAIST와 미시간 대학은 원자력 분야 발전을 위해 함께 협력하는관계로 발전할 것ˮ이라고 전했다.
KAIST 원자력 및 양자공학과의 Distinguished Lecture Series는 2014년 닐 토드레아스(Neil Todreas) MIT 명예교수를 시작으로, 2017년 스티븐 추(Steven Chu) 前 미국 에너지성 장관(1997년 노벨 물리학상 수상)의 강연을 포함해 올해로 6회차를 맞았다.
2019.11.07
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신인식 교수, 스마트 기기 간 앱 UI 분산기술 개발
〈 신인식 교수 연구팀 〉
우리 대학 전산학부 신인식 교수와 美 버팔로 대학교 스티브 고(Steve Ko) 교수 공동 연구팀이 모바일 어플리케이션 내의 프로그램을 여러 스마트 기기에서 자유롭게 실행할 수 있는 새로운 모바일 플랫폼 기술을 개발했다.
오상은 박사과정이 주도한 이번 연구 결과는 모바일 컴퓨팅 분야 최고 권위 학술대회인 ACM 모비콤(MobiCom) 2019에 논문으로 출간되며, 올해 10월 21일부터 25일까지 멕시코 로스카보스에서 열리는 해당 학술대회에서 발표할 예정이다.
최근 5G 초고속 통신 시대 개막에 맞춰 모바일 및 사물인터넷 생태계의 경향은 듀얼 스크린 폰·폴더블 폰 등 새로운 디스플레이 형태의 등장, 스마트 워치·스마트 TV·스마트 자동차 등 다양한 스마트 기기의 등장이라고 할 수 있다.
그러나 현재의 모바일 어플리케이션 생태계는 하나의 기기에 하나의 스크린만을 사용하는 단일 기기 모델에 갇혀있어 새로운 패러다임인 다중 기기 사용에 대한 잠재성이 제한되는 실정이다.
연구팀은 이러한 고정 관념과 기술적 한계를 극복하기 위해 새로운 개념을 제시하는 모바일 소프트웨어 플랫폼 기술을 개발했다. 연구팀이 개발한 플랫폼을 사용하면 다양하고 새로운 사용자 경험(UX)을 창출할 수 있다.
최근 유튜브, 아프리카TV 등에서 유행하는 라이브 방송 스트리밍 앱을 이용하면 키보드 채팅창이 방송 화면을 가리게 된다. 연구팀의 플랫폼은 앱을 수정하지 않고 방송 화면과 키보드 채팅창을 각각 다른 기기로 분리해 띄움으로써 자유롭게 채팅을 하면서 방송 화면도 가리지 않고 시청할 수 있다.
운전 중 내비게이션 앱을 이용해 목적지를 입력할 때도 유용하게 활용할 수 있다. 택시 안에서 운전자가 운전 중 직접 목적지를 입력하는 행위는 사고의 원인이 된다. 동승자가 직접 입력하는 것 역시 탑승 위치에 따라 쉽지 않다. 이런 상황에서 내비게이션 앱의 목적지 입력창을 동승자의 기기로 옮길 수 있다면 쉽게 입력할 수 있다.
최근 주목받는 5G 멀티뷰 앱에도 적용할 수 있다. 5G 멀티뷰는 스포츠나 게임 등의 경기를 여러 각도로 시청할 수 있는 새로운 서비스로, 연구팀의 플랫폼 기술이 확장 적용되면 사용자는 여러 각도의 영상을 각각 다른 기기에서 동시에 시청할 수 있다.
연구팀은 사용자 편리성과 범용성을 최대화하기 위해 개별 앱의 UI(사용자 인터페이스, User Interface) 요소들을 사용자가 원하는 대로 자유자재로 배치하는 방식을 지원하고, 시판 중인 모바일 앱을 수정하거나 재개발하지 않아도 지원되는 것을 목표로 단일 기기 가상화를 제공하는 새 플랫폼을 개발했다.
연구팀은 단일 기기로 제한돼 있던 앱 UI의 실행 환경을 다중 기기 환경에 맞게 확장해 단일 기기 가상화에 성공했다. 이 가상화 기술은 앱의 수정 없이도 UI 요소가 지닌 그래픽 자원을 다른 기기로 전달함으로써 다른 기기에서도 UI 요소들이 렌더링되도록 지원한다.
연구팀은 안드로이드 플랫폼에 프로토타입을 구현해 20여 개의 기존 앱에 새로운 UX를 성공적으로 제공하는 것을 확인했다.
신인식 교수는 "개발한 플랫폼이 갖는 높은 유연성과 범용성은 단일 기기 패러다임에서 다중 기기 패러다임으로 전환의 가속화에 이바지할 것이며, 이러한 패러다임의 전환은 지금껏 생각할 수 없었던 새 형태의 앱 활용을 가능하게 할 것이다"라며, “듀얼스크린폰, 폴더블폰 등 국내 기업의 차세대 제품에 적용 가능하며 시장 선점 효과를 통한 국내 기업의 국제 경쟁력을 높일 것으로 기대한다”라고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 방송 스트리밍 앱 사용 예제
그림2. 내비게이션 앱 사용 예제
2019.07.17
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전성윤 교수, 8시간 안에 항생제 조합 성능 확인하는 기술 개발
〈 김승규 연구원, 전성윤 교수 〉
우리 대학 기계공학과 전성윤 교수 연구팀(바이오미세유체 연구실)이 미세유체 칩을 이용해 두 개의 항생제 간 시너지 효과를 8시간 만에 검사할 수 있는 기술을 개발했다.
이번 연구는 항생제의 시너지 효과 검사에 최소 24시간 소요돼 활용이 어려웠던 기존 기술을 크게 개선한 것으로, 향후 환자들에게 적절한 항생제 조합치료를 할 수 있는 기반 기술이 될 것으로 기대된다.
김승규 석박사통합과정이 1 저자로 참여하고 생명과학과 정현정 교수 연구팀과 공동으로 수행한 이번 연구는 영국 왕립화학회(Royal Society of Chemistry)에서 발행하는 ‘랩온어칩(Lab on a Chip)’ 3월 21일 자 뒤표지 논문으로 게재됐다. (논문명 : On-chip phenotypic investigation of combinatory antibiotic effects by generating orthogonal concentration gradients, 직교 농도구배 형성을 통한 칩 상 항생제 조합 효과 검사)
항생제에 매우 높은 저항성을 갖는 ‘슈퍼박테리아’의 등장은 세계적으로 병원 및 관련 기관에 큰 위협으로 떠오르고 있다. 지난 2014년에는 세계보건기구(WHO)가 병원균의 항생제에 대한 내성이 심각한 수준에 도달했다고 공식적으로 처음 보고하기도 했다.
이러한 항생제 저항성 병원균을 효과적으로 억제하기 위해 두 종류 이상의 항생제를 섞어 처리하는 ‘항생제 조합 치료’가 주목받고 있지만, 항생제의 종류와 적정한 농도 범위가 큰 영향을 미쳐 정확한 조합을 해야 할뿐더러 치료가 항상 효과적이지는 않다는 문제점이 있다.
따라서 미지의 항생제 저항성 병원균을 대상으로 체외 항생제 조합 검사를 통해 적합한 항생제 조합과 농도 범위를 찾는 것은 매우 중요한 과정이다. 하지만 기존 검사 방식은 항생제 희석 및 샘플 준비 과정이 불편하고 결과 도출까지 24시간 이상이 걸려 대부분 경험적 치료에 의존하고 있다.
연구팀은 문제 해결을 위해 필요한 샘플 양이 수십 마이크로리터에 불과한 미세유체 칩을 이용했다. 머리카락 굵기 수준의 좁은 미세채널에서 유체 흐름을 제어할 수 있는 시스템인 미세유체 칩을 통해 두 개의 항생제 간 농도조합 121개를 단 35분 만에 자동으로 형성했다.
연구팀은 박테리아 샘플을 아가로스 젤과 섞어 미세채널에 주입해 굳힌 뒤 이를 둘러싸는 미세채널들에 각 항생제가 포함된 시약과 항생제가 포함되지 않은 시약을 주입했다.
항생제가 첨가된 채널로부터 항생제가 없는 채널로 항생제 분자들의 확산이 이뤄지고 결국 두 항생제의 조합이 박테리아가 굳혀있는 아가로스 젤에 35분 만에 형성된다. 연구팀은 이후 6시간 동안 억제되는 박테리아의 성장을 현미경을 통해 관찰했다.
연구팀은 서로 다른 항균 원리를 갖는 다섯 종류의 항생제를 두 개씩 조합해 녹농균(Pseudomonas aeruginosa)을 대상으로 항생제 조합 효능 검사를 시행했다. 그 결과 항생제 짝에 따라 각기 다른 항균효과를 확인할 수 있었고 검사한 항생제 짝의 시너지 관계를 분류할 수 있었다.
연구팀의 미세유체 칩 기반의 검사 방식은 번거로운 희석과정과 긴 검사 시간으로 인해 불편했던 기존 검사 방식을 크게 개선했다.
이전에도 전 교수 연구팀은 ‘미세유체 칩 기반의 항생제 효능 신속검사 기술’을 개발해 지난 2월 5일 ‘바이오마이크로플루이딕스(Biomicrofluidics)’지에 피처 기사로 게재한 바 있다. 이번 논문은 그 후속 연구로 미세유체 칩이 차세대 약물 검사 플랫폼으로 활용될 가능성을 제시했다는 의의가 있다.
연구책임자인 전 교수는 “미세유체 칩의 약물 검사 플랫폼으로써의 발전 가능성은 무궁무진하다”라며 “개발한 미세유체 칩이 상용화돼 실제 현장에서 항생제 조합치료를 위해 활용되기를 기대한다”라고 말했다.
이번 연구는 EEWS 기후변화연구허브사업과 교육부 이공분야기초연구사업 및 BK21 플러스프로그램의 지원을 받아 수행됐다.
그림 설명
그림1. Lab on a Chip 표지 이미지
그림2. 본 연구의 미세유체 칩과 분석결과 예시
2019.04.05
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조연우 교수, 물 속 운동체의 항력 감소 기술 개발
우리 대학 기계공학과 조연우 교수 연구팀(파동 및 유체역학 연구실)이 초공동(supercavitation) 현상을 이용해 수중 운동체의 저항력을 감소시키는 기술을 개발했다.
정재호 박사가 제1저자로 참여한 이번 연구는 영국 캠브리지 대학 Press에서 발간하는 유체역학 분야 저명 학술지인 ‘JFM(Journal of Fluid Mechanics) 854호 표지논문으로 선정됐다.(논문명: Ventilated supercavitation around a moving body in a still fluid: observation and drag measurement)
공기에서 어떤 물체가 운동하는 경우에 물체가 받는 저항력은 동일한 물체가 물속에서 운동하는 경우의 항력보다 매우 작다.
따라서 만약 물속에서 운동하는 어떤 물체가 공기로 완전히 감싸진 채 운동한다면 그 물체가 받는 항력을 매우 줄일 수 있을 것이다.
연구팀은 압축 공기를 이용해 미사일 모양의 수중 운동체를 공기로 완전히 감쌀 수 있는 초공동(supercavitation) 현상을 발생 시킨 후 수중 운동체에 가해지는 항력을 측정했다.
그 결과 동일한 속력에서 초공동으로 둘러싸인 수중 운동체가 받는 항력이 기존 수중 운동체가 받는 항력의 25% 정도로 측정됨을 확인했다.
연구 결과는 초고속 수중 운동체 개발 및 공기윤활(air lubrication)을 이용한 초고속 선박의 개발에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
이번 연구는 한국연구재단의 이공학개인기초연구지원사업의 지원으로 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. Journal of Fluid Mechanics 표지
2018.10.11
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서로 비슷한 사람일수록 폭력 등 극심한 갈등 발생 가능성 높아
살인, 폭력 등 특정 상대를 향한 거대한 증오 등은 비합리적이고 우발적인 감정이 기반이 되는 것으로 알려져 있다. 또한 사회적 관계 사이의 갈등은 지위나 경제적 능력 등이 차이가 있는 서로 다른 정체성을 가진 집단 간에 발생한다고 생각하기 쉽다.
그러나 이러한 갈등을 분석해본 결과 그 원인에도 체계적이고 구조적인 규칙이 있을뿐더러 사회적 지위와 정체성이 비슷할수록 이들 사이에서 폭력적이고 파국에 가까운 갈등이 발생한다는 사실이 밝혀졌다.
우리 대학 문화기술대학원 이원재 교수 연구팀이 사회적 행위자들 간의 지위나 정체성이 비슷할수록 폭력, 갈등이 발생할 확률이 높아진다는 것을 45년간의 포뮬러 원 (Formula One, 이하 F1) 자동차 경주에서 발생한 사고 데이터를 통해 밝혀냈다.
또한 이러한 갈등은 사람들 간 나이가 비슷하고 실력이 우수할수록, 그리고 날씨가 좋을수록 더 깊어지는 것으로 나타났다.
일반적으로 사회적 갈등을 생각할 때 머릿속에는 사용자와 노동자, 권력자와 시민처럼 권력과 정체성이 다른 집단 사이의 갈등이 떠오른다. 그러나 생명을 위협할 정도의 갈등으로 범위를 좁히면 오히려 사회적 위치가 비슷한 관계에서 이러한 현상은 더 자주 발생한다.
나와 비슷한 상대방으로 인해 자신의 지위나 정체성에 대한 모호함이 발생하면 자신의 사회적 위치에 대한 확신이 떨어지고, 이러한 감정에서 벗어나기 위해 상대방을 공격하게 되는 원리이다.
이 원리를 기반으로 한 기존의 연구들은 제한된 인간 집단이나 동물 실험을 대상으로 한 뇌 과학이나 생화학적 지표를 통해서만 이뤄지곤 했다. 따라서 기존 연구는 인간관계와 그 관계로부터 만들어지는 정체성의 영향력에 대해 구체적으로 파악하기 어려웠다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 연구팀은 F1 경기를 통해 형성된 인간 행동 데이터를 이용해 인간의 사회적 정체성 유사도를 수치화했다.
연구팀은 45년간 이뤄진 F1 경기에 출전했던 355명 사이에 발생한 506회의 충돌 사고 데이터를 분석했다.
연구팀은 랭킹과 같은 일차적 정체성인 객관적 성과 지표를 통제한 뒤 선수끼리의 우열, 즉 천적 관계 등에 대한 개별적 우열 관계를 토대로 선수별, 시즌별 등으로 프로파일을 구성했다. 이를 통해 선수 간 프로파일이 비슷할수록(structurally equivalent) 서로 충돌 사고를 일으킬 가능성이 높다는 것을 발견했다.
이 교수는 “서로간의 승, 패가 비슷해 경쟁관계에서 우위가 구분이 안 되면 본인이 모호해진다고 느낍니다. 다른 사람에게는 져도 나와 비슷한 상대에게는 반드시 이겨서 모호한 정체성을 극복해야겠다는 생각을 하게 됩니다”라고 말했다.
“랭킹 1, 2위끼리는 자주 만나기 때문에 갈등이 발생할 확률이 높다고 생각할 수 있습니다. 저희는 그러한 조건들을 전부 받아들이고 통제했습니다. 그 후의 측정 결과에서도 우리의 가설이 유효함을 확인했습니다”
사회 현상과 F1은 무슨 관계가 있을까. 박사 논문 주제로 테니스를 연구한 이 교수는 사회과학자들이 스포츠를 모델로 삼는 이유가 있다고 말했다.
“회사나 조직에서의 경쟁관계나 우위는 데이터를 구하기가 쉽지 않습니다. 반면 스포츠는 종속변수로 삼는 선수의 성과가 굉장히 객관적으로 기록되죠. 어떠한 사회적 관계를 가지며 어떠한 구조적 위치에 있느냐를 측정하는 것이 기본적 모델인데 F1 데이터는 그런 면에서 매우 객관적인 수치 기록을 갖고 있습니다”
“테니스와 같은 스포츠 토너먼트는 현대 조직 구조의 이상적인 승진 체계를 이해하는 데 최적입니다. 이번 연구는 완벽한 구조가 있음에도 불구하고 인간의 사회적 관계가 유발하는 정체성 혼동으로 인해 파국적 현상이 발생하는 이유에 대한 연구입니다”
연구팀의 결과는 경쟁이 일상화된 시장이나 조직에도 적용 가능하다. 조직 내에서 극한의 갈등이 발생할 수 있는 사회구조적 조건을 밝혀냄으로써 갈등으로 인한 사고 방지를 위한 제도 및 체계의 설계에 방향을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.
폭력으로 인한 갈등은 개인적, 비합리적, 즉흥적인 행위이다. 따라서 개인의 폭력적 행동과 사회를 연결시키는 이론적 시도는 매우 드물었다. 연구팀은 폭력적인 행위의 원인이 개인적 원한이나 욕망이 아닌 사회적 구조와 관계 안에 있다는 것을 밝힌 것이 큰 의미를 갖는다고 말했다.
이 교수는 “사회학은 보통 성공이나 협력 등의 긍정적인 효과에 대해 연구합니다. 이번 연구는 살인이나 폭력과 같은 파괴적인 행위에도 조직적이고 사회적인 이유가 있다는 것을 증명했습니다”고 말했다.
독일 ESMT의 Matthew Bothner 교수, 프랑스 INSEAD의 Henning Piezunka 교수, 미국 재무부 Richard Haynes 박사와 공동으로 수행한 이번 연구는 미국국립과학원회보 (PNAS) 2018년 3월 26일자에 게재됐다.
이 교수의 PNAS 논문은 국내 사회과학 분야에서 미국과학한림원(NAS) 회원의 기고가 아닌 직접 투고 방식으로 게재한 두 번째 사례이다. 순수 사회학 연구로 국내 대학 사회학자가 PNAS에 논문을 게재한 것은 최초이다.
이번 연구는 교육부와 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 1970-2014 동안 Formula One 선수들의 평균적 경쟁 관계를 시각화
그림2. 사회적 지위 및 정체성이 충돌에 미치는 영향의 조건표
2018.04.19
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조광현 교수, 암세포 유형별 최적 약물표적 발굴기술 개발
〈 최민수 박사, 조광현 교수 〉
우리 대학 바이오및뇌공학과 조광현 교수 연구팀이 암세포의 유형에 따라 최적의 약물 표적을 찾는 기술을 개발했다.
이는 시스템생물학을 이용해 암세포의 유전자변이가 반영된 분자네트워크의 다이나믹스(동역학)를 분석해 약물의 반응을 예측하는 기술로 향후 암 관련 신약 개발에 크게 기여할 것으로 기대된다.
최민수, 시 주 (Shi Jue), 주 양팅 (Zhu Yanting), 양 루젠 (Yang Ruizhen)이 참여한 이번 연구는 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 12월 5일자 온라인 판에 게재됐다.
인간의 암세포는 유전자 돌연변이, 유전체 단위의 반복적 변이 등 여러 형태의 유전자 변이가 있다. 이러한 변이는 같은 암종에서도 암세포에 따라 많은 차이를 보이기 때문에 약물에 대한 반응도 다양하다.
암 연구자들은 암 환자에게서 빈번하게 발견되는 유전자변이를 파악하고 이 중 특정 약물의 지표로 사용될 수 있는 유전자변이를 찾기 위해 노력해 왔다. 이러한 연구는 단일 유전자변이의 발견 또는 유전자네트워크의 구조적 특징 분석에 초점이 맞춰져 있다.
하지만 이러한 접근 방법은 암세포 내 다양한 유전자 및 단백질의 상호작용에 의해 유발되는 암의 생물학적 특성과 이로 인한 약물반응의 차이를 설명하지 못하는 한계가 있다.
암세포의 유전자변이는 해당 유전자 기능 뿐 아니라 이 유전자와 상호작용하는 다른 유전자, 단백질에 영향을 미치기 때문에 결과적으로 분자네트워크의 다이나믹스(동역학) 특성에 변화를 일으킨다.
이로 인해 항암제에 대한 암세포의 반응이 변화하게 된다. 따라서 분자네트워크의 다이나믹스(동역학) 특성을 무시하고 소수의 암 관련 유전자를 표적으로 하는 현재의 치료법은 일부 환자에게만 유용하고 약물저항성을 갖는 대다수 환자에게는 효과적으로 적용되지 못한다.
조 교수 연구팀은 문제 해결을 위해 슈퍼컴퓨팅을 이용한 대규모 컴퓨터시뮬레이션과 세포 실험을 융합해 암세포 분자네트워크의 다이나믹스(동역학) 변화를 분석했다.
이를 통해 약물반응을 예측해 유형별 암세포의 최적 약물 표적을 발굴하는 기술을 개발했다. 이 기술은 대다수 암 발생에 관여하는 것으로 알려진 암 억제 유전자 p53의 분자조절네트워크에 시범적으로 적용됐다.
연구팀은 국제 컨소시엄인 암 세포주 백과사전(CCLE : The Cancer Cell Line Encyclopedia)에 공개된 대규모 암세포 유전체 데이터를 분자네트워크에 반영해 구축했으며 유전변이의 특성에 따라 서로 다른 분자네트워크를 생성했다.
각 분자네트워크에 대해 약물반응을 모사한 섭동분석을 수행해 약물반응을 나타내는 암세포의 변화를 정량화하고 군집화했다. 그 후 컴퓨터시뮬레이션 분석을 통해 효능, 조합에 따른 시너지효과 등 약물반응정도를 예측했다.
이러한 컴퓨터시뮬레이션 결과를 토대로 폐암, 유방암, 골종양, 피부암, 신장암, 난소암 등 다양한 암세포주를 대상으로 약물반응 실험을 수행해 비교 검증했다.
이 기술은 임의의 분자네트워크에 대해서 동일한 방식으로 적용할 수 있고 최적의 약물 표적을 발굴해 개인 맞춤치료에 활용가능하다.
연구팀은 암세포의 이질성에 따른 다양한 약물반응의 원인을 특정 유전자나 단백질뿐만 아니라 상호조절작용을 종합적으로 고려해 분석할 수 있게 됐다고 밝혔다.
또한 약물저항성의 원인을 사전에 예측하고 이를 억제할 수 있는 최적의 약물 표적을 발굴할 수 있게 됐고 기존 약물의 새로운 적용대상을 찾는 약물재창출에 활용될 수 있는 핵심 원천기술을 확보하게 됐다고 말했다.
조 교수는 “암세포별 유전변이는 약물반응 다양성의 원인이지만 지금까지 이에 대한 총체적 분석이 이뤄지지 못했다”며 “시스템생물학을 통해 암세포 유형별 분자네트워크의 약물반응을 시뮬레이션으로 분석해 약물 반응의 근본적 원리를 파악하고 새로운 개념의 최적 약물 타겟을 발굴할 수 있게 됐다”고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 바이오의료기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 컴퓨터시뮬레이션을 통한 암세포 유형별 약물반응 예측 및 세포실험 비교 검증
그림2. 암세포별 분자네트워크의 동역학 분석에 기반한 약물반응 예측 및 군집화
그림3. 세포 분자네트워크 분석에 따른 암세포 유형별 약물타겟 발굴 및 암환자별 맞춤치료 전략 수립
2017.12.07
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이상엽 교수, 중국과학원 특훈교수 국제펠로우 및 텐진산업생명공학연구소 명예교수 추대
생명화학공학과 이상엽 특훈교수(KAIST 연구원장·사진)가 중국과학원(Chinese Academy of Sciences)으로부터 ‘2017년 특훈교수(Distinguished Professor) 국제펠로우’와 중국과학원 산하 텐진산업생명공학연구소(Tianjin Institute of Industrial Biotechnology)에서 명예교수로 최근 각각 추대됐다.
중국과학원은 기초과학 및 자연과학 등의 연구를 하는 중국 최고의 학술기관으로 1949년 11월 설립됐다. 1997년 기초과학·자연과학과 하이테크 영역을 고루 갖춘 과학기술체제를 확립했는데 베이징 본원 외에 선양·상해·우한·광저우 등 12개의 주요 도시에 분소가 설치돼 있고 117개의 부속기관, 100개 이상의 국가 핵심 연구소를 운영 중이다.
이상엽 특훈교수는 미생물을 활용해 유용한 화학물질을 생산하는 ‘시스템대사공학’의 창시자로서 이 분야 세계 최초·최고의 원천기술을 다수 개발하는 한편 바이오 연료 및 친환경 화학물질의 생산공정 개발 등 산업생명공학분야 등에서 생명공학의 위상을 세계적으로 높이는데 기여한 공로를 인정받았다.
이상엽 특훈교수는 앞서 시스템대사공학 분야를 선도하는 글로벌 리더로서의 공을 인정받아 중국 우시(Wuxi)소재 강남대학교에서도 명예교수로 추대됐다. 이 교수의 주요 연구 성과로는 미생물 이용 휘발유 및 바이오 부탄올 생산 공정, 강철보다 강한 거미줄 생산, 나일론 및 플라스틱 원료를 생산하는 균주 개발 등이 있다.
이상엽 특훈교수는 2014년 국제학술지인 ‘네이처 바이오테크놀로지(Nature Biotechnology)’가 선정한 ‘세계 최고응용생명과학자 20인’에 포함된 바 있으며 또 생명공학자에게 주는 상인 제임스 베일리 상(2016년)과 마빈 존슨 상(2012년)을 아시아인 최초로 수상했다.
과학자로서는 최고의 영예인 미국공학한림원과 미국국립과학원 등 양대 학술단체의 외국회원으로 동시 선출된 전 세계 13인의 과학자 중 한명이기도 한 이상엽 특훈교수는 지난 7월 정부로부터 ‘2017년 대한민국 최고과학기술인상’을 수상했는데 그가 창시한 ‘시스템대사공학’ 분야는 세계경제포럼(WEF, 일명 다보스포럼)의 ‘2016년 세계 10대 유망 기술’에 선정되기도 했다.
2017.10.26
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김남승 美 일리노이대 교수(지도교수 경종민), 국제컴퓨터구조학회 2017년 가장 영향력 있는 논문상 수상
우리대학 졸업생(지도교수: 경종민 교수·전기및전자공학부, 2000. 8월 석사과정 졸업)이자 현재 미국 일리노이대 어바나-샴페인캠퍼스(UIUC)에서 컴퓨터공학과 교수로 재직 중인 김남승 교수(사진·42세)가 미국컴퓨터학회(ACM, Associate for Computing Machinery)와 전기전자기술 분야 세계 최대의 학술단체인 국제전기전자공학회(IEEE, Institute of Electrical and Electronics Engineers)가 공동주관하는 ‘국제 컴퓨터 구조 학회’에서 ‘2017년 가장 영향력 있는 논문상’수상자로 선정됐다. 한국인으로서 국제 컴퓨터 구조 학회가 수여하는 가장 영향력 있는 논문상을 수상하는 것은 김남승 교수가 처음이다. 이 상은 15년 전에 국제 컴퓨터 구조 학회에 발표된 논문들 중 현재까지 학계나 산업계에 가장 많이 영향을 미친 논문을 2단계 심사를 거쳐 최종 선정해 수여하는 것이다.
수상 논문은 김 교수가 미국 미시간대에서 박사학위를 밟던 지난 2002년 국제 컴퓨터 구조 학회에 발표한 컴퓨터 마이크로 프로세서의 누설전류를 줄이는 새로운 컴퓨터 구조와 회로의 융합 연구를 주제로 한 논문이다. 김 교수는 졸업 후 마이크로 프로세서 제조업체인 인텔의 연구원으로 근무하면서 이 기술의 상용화를 위해 노력해왔으며 김 교수가 이 연구에서 제안한 방법에서 파생된 기술들은 현재 상용화되고 있는 대부분의 마이크로 프로세서에 채택돼 사용되고 있다.
김 교수는 이밖에 위스콘신대학에 재직 중 39세의 젊은 나이로 테뉴어(정년보장)를 조기에 받았고 41세 때인 작년에는 컴퓨터 구조분야에서 ‘IEEE 펠로우(Fellow)’에 한국인으로서는 처음 선정되는 등 한국을 빛낼 젊은 과학자로 세계적인 주목을 받고 있다. 시상식은 캐나다 토론토에서 열리는 국제 컴퓨터 구조 학회 학술기간 중인 6월 27일 열리는데 김 교수는 이 연구가 컴퓨터산업에 미친 영향을 간략히 소개한 후 다른 공저자들을 대표해서 이 상을 수상한다.
한편 US News World Report에 따르면 김 교수가 재직 중인 일리노이대 어바나-샴페인캠퍼스(UIUC) 컴퓨터공학과의 최근 미국 내 학과순위는 1위인 MIT에 이어 카네기멜론대·UC버클리대와 함께 공동 2위를 차지했다.
2017.06.26
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