검색
-
-
[퓨처 Eyes(49)] 신개념 하이드로겔, 초기 관절염 치료 및 진행 억제 가능성 제시
- 중국 과학자들이 관절염 치료의 새로운 지평을 열 혁신적인 생체 재료 개발에 성공했다. 이번 연구는 퇴행성 관절염으로 고통받는 전 세계 수억 명 환자들에게 새로운 희망을 제시할 것으로 기대된다. 관절염은 뼈 사이의 완충 역할을 하는 연골이 점차 파괴되면서 발생하는 질환이다. 연골 손상은 윤활 감소와 마찰 증가를 초래하여 결국 관절에 돌이킬 수 없는 손상을 입힌다. 특히 성인의 연골은 자연적으로 치유되지 않아 치료가 어려운 난제로 꼽혀왔다. 관절염, 삶의 질 저하시키는 질환 세계보건기구(WHO)에 따르면, 전 세계 관절염 환자 수는 꾸준히 증가하여 1990년부터 2019년까지 113% 증가한 5억 2800만 명에 달한다. 인구 고령화와 현대인의 생활 방식 변화가 관절염 증가세를 부추기고 있다. 국내에서도 관절염 문제는 심각하다. 국민건강보험공단 통계에 따르면, 무릎 관절염 환자 수는 지난해 기준 4년간 6.7% 증가했다. 특히 60대 이상 노년층에서 무릎 관절염 발병률이 높게 나타났다. 무릎 관절염은 초기에는 간헐적인 통증으로 시작되지만, 방치할 경우 심각한 통증, 다리 변형, 보행 장애까지 이어질 수 있다. 손상된 연골, 정밀하게 치료한다 이번에 중국 연구팀이 개발한 기술은 '하이드로겔 마이크로스피어(HMS)'와 항체를 결합하여 연골 윤활을 회복시키는 획기적인 치료법이다. 홍콩 매체 사우스차이나 모닝 포스트(SCMP)에 따르면 상하이 고등 연구소와 창사 샹야 국립 병원 연구팀은 손상된 조직 복구에 널리 사용되는 '하이드로겔 마이크로스피어'를 활용하여 관절염 치료의 새로운 접근법을 제시했다. 이번 연구 결과는 첨단 소재 분야 학술지 '어드밴스트 머티리얼즈(Advanced Materials)'에 게재됐다. 이 혁신적인 마이크로스피어는 천연 단백질에서 추출한 젤라틴 메타크릴레이트와 합성 고분자인 폴리(설포베타인 메타크릴레이트)를 결합하여 만들어졌다. 이 두 물질의 조합은 세포 성장과 수분 공급에 이상적인 환경을 제공한다. 연구팀은 나아가 손상된 연골에 결합하고 마이크로스피어에 부착되는 표적 항체를 개발하여 치료 효과를 극대화했다. 이 새로운 치료법은 기존 생체 윤활제와 달리 염증 부위를 정확하게 표적하여 치료할 수 있다는 장점을 가진다. '하이드로겔 마이크로스피어'는 작고 균일한 구형의 하이드로겔 입자이다. 쉽게 말해, 아주 작은 크기의 물을 많이 머금을 수 있는 3차원 젤리 공을 떠올리면 된다. 크기는 일반적으로 마이크로미터(㎛) 단위로 매우 작다. 구조는 3차원 망상구조를 가진 친수성 또는 양친매성 고분자 사슬이 가교되어 형성된다. 쉽게 비유하자면, HMS는 작은 스펀지처럼 물을 흡수하여 촉촉함을 유지하고, 필요한 물질을 머금고 있다가 서서히 방출하는 역할을 한다. 이러한 특성 덕분에 약물 전달, 조직 공학, 세포 배양 등 의료 분야에서 다양하게 활용될 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 쥐 실험 통해 초기 골관절염 치료 효과 입증 연구팀은 개발한 생체 물질을 쥐에게 주입하여 초기 골관절염 치료 효과를 검증했다. 그 결과, 이 치료법은 골관절염 증상을 완화하고 추가적인 관절 손상을 예방하는 데 효과적인 것으로 나타났다. 특히, 새로운 생체 재료는 표준 식염수 주입과 비교했을 때 마찰을 줄이고 관절 윤활을 개선하는 측면에서 기존 치료법보다 뛰어난 성능을 보였다. 보고에 따르면 마찰 계수는 표준 식염수 주입에 비해 '3분의 1' 이상 감소했다. 이번 연구는 특히 초기 단계 관절염 치료에 대한 유망한 접근 방식을 제시한다. 표적 윤활 제공과 추가적인 관절 손상 예방을 통해 관절염 치료의 새로운 패러다임을 열 것으로 기대된다. 연구팀은 "개발된 주입형 표적 윤활 HMS와 정밀 표적 윤활 HMS는 특히 초기 단계의 골관절염 진행을 늦추는 데 유망하고 편리한 기술"이라고 강조했다. 관절염 치료의 새 지평 열리나 앞서 미국 노스웨스턴대학교 연구팀은 손상된 무릎 연골을 재생하는 새로운 생체 활성 물질을 개발하고, 양을 이용한 실험에서 성공적인 결과를 얻었다. 이 새로운 생체 재료는 연골 성장 및 유지에 필수적인 단백질인 TGFb-1에 결합하는 생체 활성 펩타이드와 연골 및 관절의 윤활 활액에 존재하는 천연 다당류인 히알루론산으로 구성되어 있다. 노스웨스턴 연구팀은 새로운 생체 재료 물질을 동물 모델인 양의 손상된 무릎 연골에 적용한 결과, 6개월 이내에 새로운 연골이 생성되는 것을 확인했다. 새로 생성된 연골은 통증 없는 기계적 탄력성을 가능하게 하는 천연 생체 고분자인 콜라겐 II와 프로테오글리칸을 포함하고 있었다. 해당 연구 결과는 미국 국립과학원회보(PNAS)에 게재됐다. 관절은 일단 망가지면 자연적으로 재생되지 않아 그동안 치료의 한계가 있었다. 그러나 이처럼 연골을 재생시키기 위한 전 세계 과학자들의 노력이 합쳐지면 관절염 치료를 더욱 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.
-
- 포커스온
-
[퓨처 Eyes(49)] 신개념 하이드로겔, 초기 관절염 치료 및 진행 억제 가능성 제시
-
-
[기후의 역습(51)] NASA, 남극 해저 탐사 로봇 개발⋯해수면 상승 예측 정확도 높인다
- 과학자들이 로봇으로 기후 변화로 예상보다 빨리 녹는 남극 빙붕 탐사에 나선다. 미국 항공우주국(나사·NASA) 산하 제트추진연구소(JPL)는 남극 빙붕 아래 심해를 탐사할 수 있는 자율주행 로봇을 개발 중이다. 이 로봇은 인간이 접근하기 어려운 극한 환경에서 빙하 해빙 속도와 해수면 상승 영향 등을 파악하는 데 활용될 예정이다. 나사는 홈페이지를 통해 '아이스노드(IceNode)' 프로젝트를 통해 인간이 접근하기 어려운 험지인 빙붕의 녹는 속도를 측정하기 위해 자율주행 로봇 함대 구축을 구상하고 있다고 밝혔다. 남극 대륙이 완전히 녹으면 전 세계 해수면이 약 60m(약 200피트) 상승할 것으로 추정된다. 남극 빙상의 녹는 속도는 해수면 상승 예측에서 가장 큰 불확실성 중 하나다. 기온이 따뜻해지면 표면이 녹는 것처럼 얼음도 아래에서 순환하는 따뜻한 바닷물과 접촉하면 녹는다. 바닷물 속의 빙하가 녹는 속도는 그동안 과학자들이 직접 관측하지 못해서 간과해왔던 부분이다. 나사는 "해수면 상승을 예측하는 컴퓨터 모델을 개선하기 위해서 과학자들은 특히 육지에서 뻗어나온 수마일 길이의 떠다니는 얼음판인 빙붕 아래에서 녹는 더 정확한 속도가 필요하다"면서 "빙붕(ice shleves)은 해수면 상승에 직접적으로 기여하지는 않지만 빙상(ice sheets)이 바다로 흘러들어가는 속도를 크게 낮춘다"고 설명했다. '아이스노드' 프로젝트, 알래스카 첫 실험 성공 아이스노드의 엔지니어들은 우주 탐사용 로봇 설계에 대한 전문성을 활용해 길이 약 2.4m(약 8피트), 지름 25cm(10인치)의 자율로봇 차량을 개발하고 있다. 이 차량은 한쪽 끝에서 튀어나와 로봇을 얼음 아랫면에 부착하는 3개 다리의 랜딩 기어가 있다. 로봇에는 어떠한 형태의 추진력이 없으며, 대신 해류 모델의 정보를 사용하는 새로운 소프트웨어의 도움으로 자율적으로 위치를 잡을 수 있다. JPL 연구팀은 지난 3월 알래스카 북부 보퍼트 해에서 원통형 로봇을 수심 30m까지 내려 더이터를 수집하는 데 성공했다. 당시 보퍼트 기온은 섭씨 영하 45도(화씨 영하 50도)로 인간과 로봇 모두에게 도전이었다. 이는 '아이스노드' 프로젝트의 첫 번째 단계로, 궁극적으로는 남극 빙붕에 로봇들을 부착해 장기간 데이터를 수집하는 게 목표다. 로봇의 센서는 따뜻하고 짠 바닷물이 얼마나 빨리 순환해 얼음을 녹이는 지, 그리고 더 차갑고 신선한 녹을 물이 얼마나 빨리 가라앉는지 측정할 것이다. 남극 빙붕 해빙, 해수면 상승 가속 우려 최근 연구들은 남극 빙하가 예상보다 빠르게 녹고 있음을 시사하며, 해수면 상승 예측이 과소 평가됐음을 제기했다. 남극 빙상 전체가 녹을 경우 해수면은 약 60m 상승해 해안 도시들을 위협할 수 있다. 과학자들은 특히 빙하 유출을 막는 '코르크' 역할을 하는 빙붕의 해빙 메커니즘을 이해하는 데 주력하고 있다. 아이스노드 로봇 함대는 최대 1년 동안 운영되며, 계절적 변동을 포함한 데이터를 지속적으로 수집한다. 그런 다음 로봇은 얼음에서 분리되어 위성을 통해 데이터를 전송한다. JPL 로봇 공학자이자 아이스노드의 수석 연구원인 폴 글릭은 "이 로봇은 지구상에서 가장 접근하기 어려운 곳에 과학 장비를 가져다주는 플랫폼"이라며 "어려운 문제에 대한 안전하고 비교적 저렴한 솔루션이 되도록 고안됐다"고 설명했다. 이번 로봇 개발은 접근 불가능한 지역의 데이터 수집을 가능하게 해 해수면 상승 예측 정확도를 높이는 데 기여할 것으로 기대된다.
-
- IT/바이오
-
[기후의 역습(51)] NASA, 남극 해저 탐사 로봇 개발⋯해수면 상승 예측 정확도 높인다
-
-
[기후의 역습(50)] 작년 캐나다 산불, 인도 1년치 탄소 배출량과 맞먹어 '충격'
- 작년에 캐나다를 강타한 기록적인 산불은 지구상의 거의 모든 나라에서 배출한 탄소보다 더 많은 탄소를 대기 중에 방출했다고 영국 독립 미디어 인디펜던트가 전했다. 캐나다의 단일 산불이 지구 온난화의 가장 큰 원인을 제공했다는 분석이다. 나사(NASA)의 제트 추진 연구소가 지난주 말 발표한 분석에 따르면, 미국 노스다코타와 거의 같은 면적의 산림을 태운 캐나다 산불은 약 6억 4000만 톤의 이산화탄소를 방출한 것으로 추정됐다. 이 분석 결과는 '네이처' 저널에 발표됐다. 연구에 따르면 캐나다 산불로 배출된 탄소보다 많은 양을 배출한 나라는 중국, 미국, 인도뿐이었다. 3개국의 화석 연료 연소가 다른 국가를 압도하고 있는데, 캐나다 산불이 이에 버금갔다는 얘기다. 전 세계적인 탄소 배출로 인해 지구의 대기 중 온실가스 농도는 2023년에 인류 역사상 가장 높은 수준에 도달했다. 캐나다 산불은 2023년 5월에 발생해 기록적으로 높은 기온과 건조한 기상 조건으로 수개월 동안 꺼지지 않고 퍼지면서 캐나다 인근 전역에 걸쳐 맹위를 떨쳤다. 역대 최대 규모의 산불로 기록되기도 했다. 산불은 캐나다 브리티시 컬럼비아에서 노바스코샤까지 4500만 에이커 이상을 태웠다. 연기는 캐나다 전역으로 퍼져 국경 남쪽까지 도달했으며, 뉴욕을 비롯한 미국 대도시의 하늘을 노랑 또는 주황색으로 물들였다. 지역 주민들은 불길한 대기를 온몸으로 겪어야 했다. 캐나다에서 소방관 8명이 사망하고 수만 명이 대피했다. 나사는 연구에서 위성 관측과 슈퍼컴퓨터를 사용해 화재의 영향을 파악했다. 특히, 2017년부터 지구를 공전하고 있는 유럽우주국(ESA)의 센티넬 5P 위성에 부착된 대류권 관측 장비(TROPOspheric Monitoring Instrument)를 이용해 대기 중의 가스와 미세 입자를 측정하고 매핑할 수 있었다. 한편 기후 위기로 인해 급등하는 기온과 극심한 가뭄으로 인해 발생하는 산불의 빈도와 심각성은 날로 증가할 것으로 예상된다. 캐나다를 포함한 세계 북부 산림에 대한 위협은 심각하다는 지적이다. 산림은 일반적으로 주요 탄소 흡수원 역할을 하며, 일부에서는 특히 배출하는 탄소보다 더 많은 양을 대기 중에서 흡수한다. 그러나 미국 해양대기청(NOAA)은 극심해지는 산불로 탄소 흡수원으로서의 산림의 효과는 갈수록 약해지고 있다고 우려했다.
-
- 포커스온
-
[기후의 역습(50)] 작년 캐나다 산불, 인도 1년치 탄소 배출량과 맞먹어 '충격'
-
-
워런 버핏, 애플 팔고 '울타뷰티' 투자⋯한국화장품제조 20% 급등
- 워런 버핏이 이끄는 버크셔 해서웨이가 화장품 소매업체 '울타뷰티(Ulta Beauty Inc)'에 투자했다는 소식에 16일 국내 화장품 관련 주식들이 큰 폭으로 상승했다. 한국거래소에 따르면 이날 한국화장품제조 주가는 전 거래일보다 20.34% 오른 7만400원에 거래를 마감했다. 장 초반에는 29.91%까지 급등하며 52주 신고가를 경신하기도 했다. 한국화장품제조는 기초화장품과 색조화장품을 비롯해 1600여 종류를 생산하는 OEM 및 ODM 화장품 제조 전문 기업으로 한국화장품 등 6개의 계열사를 가지고 있다. 이 외에도 토니모리, 마녀공장, 코스메카코리아, 한국화장품, 브이티, 삐아, 한국콜마, 아모레퍼시픽, 잉글우드랩, 에이블씨엔씨, 코리아나, 뷰티스킨 등 다수의 화장품 관련 주식들이 동반 상승했다. 울타뷰티는 국내의 '올리브영'과 유사한 뷰티 판매·유통 기업으로, 국내 화장품 브랜드도 다수 입점해 있다. 버크셔 해서웨이가 지난 14일 미국 증권거래위원회(SEC)에 제출한 최신 공시를 통해 올해 2분기 애플 지분을 대폭 줄이고 울타뷰티 주식을 매수했다고 밝혔다. 버크셔는 2분기에 3억8900만주 이상의 애플 주식을 매각했다. 그럼에도 불구하고 버크셔는 여전히 애플 주식 4억주를 보유하고 있다. 버핏이 애플 주식 상당 부분을 매각했다는 소식은 8월 초 버크셔 해서웨이의 실적 보고에서 밝혀졌지만, 정확한 매각 주식수는 지난 14일 확인됐다. 버크셔는 울타 뷰티 주식 69만106주를 투자한 것으로 알려졌다. 이에 울타뷰티 주가는 15일(현지시간) 11% 급등하는 등 투자자들의 관심을 끌었다. 국내 증시에서는 울타뷰티 입점 브랜드의 매출 성장 기대감이 커지면서 해당 브랜드뿐 아니라 이들의 주문자 상표 부착 생산(OEM), 제조업자 개발 생산(ODM) 업체까지 주가가 상승했다.
-
- 산업
-
워런 버핏, 애플 팔고 '울타뷰티' 투자⋯한국화장품제조 20% 급등
-
-
[신소재 신기술(95)] 옥스포드대, '초박막 태양전지' 개발⋯에너지 패러다임 전환 예고
- 영국 옥스포드 대학교 물리학과 연구팀이 기존 실리콘 태양광 패널을 대체할 수 있는 초박막 태양전지 기술을 개발해 에너지 패러다임 전환의 가능성을 제시했다. 이 기술의 핵심은 햇빛에 노출된 물체 외부에 부착할 수 있는 초박막 태양전지 필름이다. 이 필름은 빛을 흡수하는 페로브스카이트를 여러 겹으로 쌓아 1미크론 두께로 제작됐다. 기존 실리콘 웨이퍼보다 150배 얇으면서도 5% 더 높은 에너지 효율을 자랑한다. 특히, 일본 산업기술종합연구소(AIST)의 엄격한 인증을 통과하며 27% 이상의 에너지 효율을 공식적으로 인정받았다고 AZO클린테크가 전했다. 연구팀은 이 기술을 통해 태양광 장치의 에너지 효율을 궁극적으로 45% 이상까지 끌어올릴 수 있을 것으로 기대하고 있다. 또한, 매우 얇고 유연한 필름 형태로 제작되어 건물, 자동차, 심지어 휴대폰 뒷면 등 다양한 일상 생활에서 사용되는 사물의 표면에 부착 가능하다는 점에서 건설 및 설치 비용 절감 효과도 기대된다. 이는 태양광 발전소 보급 확대와 지속 가능한 에너지 사용 증진에 기여할 것으로 전망된다. 연구팀의 준케 왕 박사는 "이번 기술은 태양 에너지를 가장 지속 가능한 재생 에너지원으로 만들면서 비용 절감까지 가능하게 할 것"이라며 기대감을 드러냈다. 이번 연구는 옥스퍼드 대학교 물리학과 헨리 스나이스 교수의 지도 아래 약 30명의 전문가가 참여했다. 이들은 약 10년 전부터 박막 페로브스카이트 기술 개발에 주력해왔다. 스나이스 교수는 "우리 실험실에서 시연된 태양광 소재 및 기술의 최신 혁신은 기존 건물, 차량 및 물체를 사용하여 더욱 지속 가능하고 저렴하게 태양 에너지를 생성하는 재료를 제조하는 새로운 산업을 위한 플랫폼이 될 수 있다"고 말했다. 한편, 페로브스카이트 소재는 5년 만에 에너지 효율이 6%에서 27%로 비약적으로 발전했지만, 습기에 취약하여 안정성이 떨어지는 문제가 남아있다. 그럼에도 불구하고, 태양 에너지 가격은 지난 10년간 90% 하락하며 경제성을 확보했고, 이는 전 세계 태양광 발전소 증가에 기여했다. 최근 미국과 구글 등이 태양 에너지 인프라 확대에 적극적으로 나서고 있는 가운데, 옥스퍼드 대학교의 이번 연구는 태양 에너지 시대를 앞당기는 촉매제 역할을 할 것으로 기대된다.
-
- 포커스온
-
[신소재 신기술(95)] 옥스포드대, '초박막 태양전지' 개발⋯에너지 패러다임 전환 예고
-
-
[신소재 신기술(94)] 물로 작동하는 스마트 붕대, 치료 효과 30% 향상
- 전자 부품이 없이 물 한 방울로 작동하는 스마트 붕대(드레싱)가 개발돼 당뇨병 환자 등의 만성 상처 치유 효과를 높일 것으로 보인다. 미국 노스캐롤라이나 주립대(NCSU) 과학자들이 전기장을 이용해 만성 상처의 치유 속도를 높이는 저렴한 스마트 드레싱(WEPDs)을 개발했다고 메디컬 익스프레스와 데일리 메일 등 다수 외신이 보도했다. '만성 상처'는 치유가 더디거나 아예 치유되지 않는 상처를 말한다. 예를 들어 일부 당뇨병 환자에게서 발생하는 상처는 만성 상처라고 할 수 있다. 이러한 상처는 치유 후에도 종종 재발하고 절단 및 사망 위험을 크게 증가시키기 때문에 문제가 된다. 만성 상처는 또한 치료비가 매우 비싸서 환자에게 추가적인 문제를 일으킬 수 있다. 연구팀이 개발한 '물로 작동하는 전자 부품 없는 드레싱(WPEDs)'은 일회용 붕대로, 한쪽 면에는 전극이, 다른 면에는 작고 생체 적합성이 뛰어난 배터리가 부착돼 있다. 이 드레싱을 상처에 붙인 후 물 한 방울을 떨어뜨리면 배터리가 활성화되어 몇 시간 동안 치유를 촉진하는 전기장이 생성된다. 동물 실험 결과 이 붕대로 치료한 상처는 기존 붕대보다 30% 빠르게 치유됐다. 이번 연구를 주도한 NCSU 전기 및 컴퓨터 공학 아마이 반도드카 교수는 "우리의 목표는 만성 상처 환자의 치유를 가속화하면서도 훨씬 저렴한 기술을 개발하는 것이었다"며 "환자들이 병원 뿐만 아니라 집에서도 쉽게 사용할 수 있도록 하는데 중점을 두었다"고 설명했다. 연구의 공동 1저자이자 NC 주립대의 박사후 연구원인 라자람 카베티는 "이 드레싱에서 전기장은 매우 중요하다. 전기장이 만성 상처의 치유를 가속화한다는 것은 잘 알려진 사실이기 때문이다"라고 말했다. 연구팀은 당뇨병 쥐를 대상으로 WPEDs의 효과를 실험했다. 그 결과, WPEDs를 사용한 쥐들은 일반 붕대를 사용한 쥐보다 약 30% 빠르게 치유됐으며, 새로운 혈관 형성 촉진 및 염증 감소 효과도 확인됐다. WPEDs의 전극은 붕대와 함께 구부러지고 만성 상처의 표면에 맞춰질 수 있도록 설계됐다. 그로 인해 WPEDs는 빠르고 쉽게 부착할 수 있으며, 환자들은 붕대를 붙인 상태에서 자유롭게 움직이며 일상 생활을 할 수 있다. 이는 환자들이 집에서 편리하게 치료 받을 수 있게 해 치료 순응도를 높일 것으로 기대된다. 연구팀은 향후 WPEDs의 인체 적용 가능성을 확인하기 위해 추가 연구를 진행할 계획이다. 연구 결과는 「상처를 전기적으로 자극하여 상처를 빠르게 봉합하는 물로 구동되는 전자 장치 없는 드레싱」이라는 논문으로 지난 8월 7일 오픈 액세스 저널인 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 개재됐다.
-
- 포커스온
-
[신소재 신기술(94)] 물로 작동하는 스마트 붕대, 치료 효과 30% 향상
-
-
[퓨처 Eyes(46)] 3D 프린팅 심장 반창고, 손상된 인체 조직 대체·복구 가능성 열어
- 심장에 붙일 수 있는 반창고가 3D 프린팅으로 제작돼 새로운 질병 치료의 길을 열었다. 미국 콜로라도 볼더 대학교(CU Boulder) 연구팀이 펜실베니아 연구팀과 공동으로 인체 조직의 강도와 신축성을 모두 갖춘 3D 프린팅 소재 개발에 성공했다고 CU볼더 투데이, 기술 전문 매체 인터레스팅 엔지니어링 등이 전했다. 가까운 미래에는 생명유지에 필수적인 기관인 심장의 결함이나 손상을 접착형 밴드를 통해 간단히 치료할 수도 있을 것으로 에상된다. 연구팀은 산화 환원 촉진을 통과한 광노출 후 연속 강화(CLEAR)라는 새로운 3D 프린팅 방법을 개발했다. 이 소재는 심장 박동을 견딜만큼 탄력적이면서도 관절에 가해지는 압력을 견딜만큼 강하다. 특히 환자 맞춤형으로 제작할 수 있어 다양한 의료 분야에 활용될 수 있다. 이번 연구 결과는 지난 2일 과학 학술지 '사이언스(Science)'에 게재됐다. 차세대 바이오 소재 연구팀은 이 기술이 심장에 약물을 직접 전달하는 내부 붕대, 연골 패치, 무바늘봉합 등 차세대 바이오 소재 개발의 토대가 될 것으로 기대한다. 연구 책임자인 제이슨 버딕 CU 볼더 바이오프론티어 연구소 교수는 "심장 조직과 연골 조직은 스스로 복구하는 능력이 매우 제한적이라는 점에서 비슷하다. 한 번 손상되면 회복이 어렵다"며 "더 탄력적인 소재를 개발해 복구 과정을 돕는다면 환자들에게 큰 도움을 줄 수 있다"고 말했다. 기존의 의료용 기기는 주로 몰딩이나 주조 방식으로 제작되어 대량 생산에는 적합하지만, 환자별 맞춤형 제작에는 한계가 있었다. 최근 3D 프린팅 기술은 다양한 형태와 구조의 소재로 제작할 수 있어 의료 분야에 새로운 가능성을 열고 있다. 3D 프린팅은 살아 있는 세포를 포함한 다양한 재료를 사용해 물체를 층층이 쌓아 물체를 만드는 기술이다. 특히 하이드로젤(콘택트렌즈 소재)은 인공 조직, 장기 임플란트 제[작에 유망한 소재로 주목받았지만, 기존 3D 프린팅 하이드로젤은 의료 분야에 필요한 강도와 유연성이 부족해 늘어나면서 쉽게 찢어지거나, 압력에 의해 깨지거나, 너무 뻣뻣해서 조직에 맞게 성형하기 어렵다는 문제점이 있었다. 이에 버딕은 기존 3D 프린팅에 대해 "심장에 딱딱한 플라스틱을 붙였다고 상상해 보자. 심장이 뛰는 동안 변형되지 않고 그냥 부러질 것"이라고 설명했다. 새로운 3D 공정은 습한 조직에 붙을 수 있는 견고하고 유연한 소재를 생산해, 기존 프린팅의 문제점을 해결했다. 연구팀은 기존 하이드로젤의 한계를 극복하기 위해 'CLEAR'라는 새로운 3D 프린팅 방법을 개발하여 긴 분자들을 얽히게 만들었다. CLEAR(Continuous-curing after Light Exposure Aided by Redox initiation)는 3D 프린팅 소재에 긴 분자를 얽어 넣어 작동하는 방식이다. 이렇게 제작된 소재는 기존의 DLP(Digital Light Processing, 디지털 광원 처리) 방식으로 제작된 소재보다 훨씬 강하고 동물 조직 및 장기에 잘 부착되는 것으로 나타났다. 장기에 부착 가능한 3D 프린팅 소재 연구팀은 강도와 탄성을 모두 갖춘 3D 프린팅 하이드로젤을 개발하기 위해 벌레의 움직임에서 영감을 얻었다. 벌레는 서로 얽히고 풀리는 과정을 반복하며 3차원 '웜 블롭(worm blob)'을 형성하는데, 이는 고체와 액체의 특성을 모두 가지고 있다. 새롭게 개발된 소재는 엄격한 인장 및 하중 지지 테스트를 거쳤다. 그 중에는 샘플 위에 자전거를 놓는 다소 특이한 절차도 포함됐다. 연구팀은 이러한 테스트를 통해 개발된 소재가 기존 소재보다 월등히 높은 강도와 탄성을 지녔음을 입증했다. 팀은 이 소재가 표준 3D 프린팅 공정을 사용해 만든 소재보다 엄청나게 튼튼하다는 것을 발견했다. 특히 이 소재는 동물 조직과 장기에 대한 호환성과 접착력도 입증했다. 공동 제1저자이자 버딕 연구소의 연구원인 맷 데이비슨은 "이제 우리는 조직을 기계적으로 지지할 만큼 강한 소재를 3D로 인쇄할 수 있다. 이전에는 한 번도 해 본 적이 없다"고 말했다. 연구팀은 이 기술이 심장 결함 복구, 조직 재생 약물 전달, 탈출된 디스크 고정, 수술 부위 봉합 등 다양한 의료 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대한다. 특히, 이 기술은 개인 맞춤형 의료 기기 제작에 혁신을 가져올 것으로 예상된다. 또한 이 방법은 경화 과정에 추가 에너지가 필요하지 않아 친환경적이며, 의료 분야뿐만 아니라 연구 및 제조 분야에도 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 전망된다. 버딕의 연구팀은 예비 특허를 출원했으며, 이들 물질에 대한 조직 반응을 조사하기 위해 추가 연구를 곧 수행할 예정이다.
-
- 포커스온
-
[퓨처 Eyes(46)] 3D 프린팅 심장 반창고, 손상된 인체 조직 대체·복구 가능성 열어
-
-
[기후의 역습(31)] 남극 빙하 녹는 경로, 센서 부착 물개와 드론으로 밝혀내
- 과학자들이 센서가 장착된 물개와 드론을 활용해 남극 빙하의 녹는 경로를 확인했다. 미국 캘리포니아 공과대학(칼텍, Caltech) 연구팀이 남극 빙하가 녹은 물이 이동하는 경로를 센서를 부착한 물개와 해저 드론 등을 활용해 추적하는 데 성공했다. 이는 남극 빙하 유실과 해수면 상승 예측에 중요한 단서를 제공할 것으로 기대된다. 연구팀은 남미에 가장 가까운 남극 대륙의 벨링하우젠 해로 알려진 지역에서 지금까지 알려지지 않은 해류를 발견하고, 각기 다른 빙붕에서 발생한 녹은 물이 두 갈래의 경로로 흐른다는 사실을 확인했다. 그 중 하나는 해안선을 따라 이동하며 다른 빙붕의 융해를 가속화하는 반면, 나머지 하나는 멀리 외해로 빠져나가는 것으로 밝혀졌다. 또한 물개가 수집한 데이터를 통해 '물개 해구(Seal Trough)'라는 새로운 지형을 발견하기도 했다. 나사(NASA)의 위성 데이터에 따르면 그린란드와 남극은 1년에 각각 283기가톤과 145기가톤의 속도로 질량을 잃고 있다. 1기가톤은 10억미터톤, 또는 완전히 적재된 미국 항공모함 1만척에 해당한다. 뉴욕 센트럴 파크의 길이는 4km, 폭은 0.8km다. 이곳에 1기가톤의 얼음을 쌓으면 높이가 341m에 이른다. 남극의 빙붕은 오늘날 유래없는 속도로 녹고 있으며, 대부분의 피해는 빙붕 아래에서 따뜻한 물이 유입되면서 발생하고 있다. 육지의 따뜻한 물은 바다로 유입되면 남극 연안으로 운반돼, 하류에 있는 빙붕이 녹는 속도가 가속화된다. 빙붕이 녹으면서 발생하는 해수면 상승을 이해하고 예측하기 위해서는 빙붕이 녹는 경로에 대한 지도가 필요하다. 센서 장착된 물개 활용 여러 기관의 연구진이 협력해서 먹이를 찾아 바다를 이동하는 물개에게 잠수할 때 해양의 특성을 측정하는 소형 센서를 장착다. 이 프로그램은 MEOP(해양 포유류 극지에서 극지까지 탐험하기)라고 하며, 수집된 데이터는 연구자들에게 공개적으로 제공된다. 톰슨 연구소의 선임 연구 과학자인 마르 플렉사스와 그녀의 연구팀은 이 데이터와 톰슨 연구소의 해저 해양 글라이더에서 수집한 데이터를 결합해 벨링하우젠과 아문젠 해역의 수은, 염분, 산소함량, 입자 농도와 같은 특정 정보를 수집했다. 이번 연구는 개별 빙붕의 융해가 남극 전체 해류 순환과 다른 빙붕의 융해에 어떤 영향을 미치는지 이해하는 데 중요한 발판을 마련했다는 평가를 받는다. 나아가 전 지구적 해수면 상승 예측 모델의 정확성을 높이는 데도 기여할 것으로 전망된다. 엔디 톰슨 칼렉 교수는 "이전에는 각 빙붕이 독립적인 시스템이라고 생각했지만, 이제는 남극 해안을 따라 흐르는 해류를 통해 여러 빙붕이 연결되어 있다는 것은 알게 됐다"며 "한 빙붕에서 일어나는 일이 다른 빙붕에 연쇄적인 영향을 미치므로 정확한 변화 예측을 위해서는 이러한 상호작용을 이해해야 한다"고 강조했다.
-
- IT/바이오
-
[기후의 역습(31)] 남극 빙하 녹는 경로, 센서 부착 물개와 드론으로 밝혀내
-
-
해변 담배꽁초 청소하는 로봇 개 첫선…네 발에 진공청소기 노즐 부착
- 이탈리아기술원(IIT: Italian Institute of Technology) 연구팀이 발목에 노즐을 묶고 등에 진공청소기 본체를 달아 쓰레기를 청소하는 4족 로봇개를 개발했다고 뉴아틀라스가 전했다. 이 로봇개는 중국 로봇 개발 회사인 유니트리(Unitree)의 에일리언고(AlienGo) 로봇개를 모델로 해 제작됐다. 베로(VERO: Vacuum-cleaner Equipped RObot)라고 명명된 이 진공청소 로봇개는 해변에서 가장 흔한 쓰레기인 담배꽁초를 주로 제거한다. 베로는 정해진 청소 구역에서 자율적으로 이동하면서 한 쌍의 카메라와 신경망을 이용해 담배꽁초를 찾고, 진공청소기를 켜 이를 빨아들인다. 계획된 경로를 따라 움직이면서 담배꽁초 및 유사한 모양의 쓰레기도 함께 청소한다. 개발된 4족 진공청소 로봇개는 연구 등급의 로봇으로서 현 수준에서는 상대적으로 비싸다고 한다. 대략 5만 달러 정도로 1600달러 수준인 에일리언고에 비해 비싸다. 또한 에일리언고만큼 민첩하거나 빠르게 움직이지 못한다. 다만, 걷거나 뛰는 등 이동의 용도로만 사용되던 로봇의 발을 다른 작업으로 전환할 수 있는 단초를 마련했다는 점에서 의미가 크다. 담배꽁초를 찾아내도 발끝에 부착된 노즐을 꽁초 쪽으로 가져가 빨아들이는 것은 어려운 작업이다. 네 발에 부착한 네 개의 노즐이 두 개 또는 한 개보다 생산적인 청소 작업을 수행할 수 있는 지도 검증되지 않았다. 나아가 해변에서 담배꽁초를 제거할 때 엄청난 양의 모래를 같이 빨아들일 수도 있다. 따라서 개발된 진공청소 로봇개는 현시점에서는 실용적이지 않다는 지적이다. 다만 로보틱스 산업에서 아이디어 측면에서는 크게 발전된 모습이라는 평가다. 다른 분야로의 확대 응용도 기대된다. 즉, 다리 끝에 진공 노즐만 고집할 필요가 없다는 것이다. 정원 가꾸기나 농장 잡초 제거, 건설 현장에서 못질하기 등의 용도로도 활용할 수 있다고 연구팀은 밝혔다. 진공청소 로봇개 개발 소식은 '필드 로보틱스 저널(Journal of Field Robotics)'에 발표됐다.
-
- IT/바이오
-
해변 담배꽁초 청소하는 로봇 개 첫선…네 발에 진공청소기 노즐 부착
-
-
[신소재 신기술(80)] 예일대, 팔 다리 절단 등 자유롭게 변형 가능한 로봇 개발
- 예일(Yale) 대학이 도마뱀이 스스로 꼬리를 자르는 것과 같이 자가 절단 기능을 갖춘 로봇이 개발했다고 발표하고 그 결과를 홈페이지에 공개했다. 예일대 연구팀이 개발한 로봇은 스스로 팔을 분리하거나 자유자재로 융합한다. 영화 '트랜스포머' 정도까지는 아니지만, 자신의 형태를 스스로 바꾸는 로봇은 오랫동안 로봇 공학계의 혁신적인 단계로 여겨져 왔다. 예일대 패브래토리(Faboratory) 로봇공학팀이 소프트 로봇 분야에서 이 같은 변신 로봇을 개발한 것은 사실상 이번이 처음이다. 연구팀은 "새롭지만 가능성이 희박했던 자가 절단 및 팔다리 재부착 기능을 적용해 성공했다"고 밝혔다. 도마뱀 등 일부 동물은 포식자를 피하고 살아있는 다리를 유지하기 위해 꼬리를 자르는 것의 이점을 입증했지만, 소프트 로봇이 사지 절단 가능이라는 새 챕터를 연 것은 이번이 처음이다. 도마뱀은 공학계에서도 연구 대상이었다. 포식자를 피하고 생명을 유지하기 위해 꼬리를 자르는 장점을 활용하자는 구상이었다. 붕괴된 건물 등 위험 환경에서 움직이는 로봇이 최우선 적용 대상이었다. 이번에 개발된 로봇도 그 일환이다. 연구팀은 새로 개발된 소프트 4족 로봇의 기능을 동영상으로 통해 시연했다. 동영상을 보면 로봇은 전류로 가열되는 가역적 관절 시스템을 선보이며, 자신의 팔다리를 스스로 절단해 함정으로부터 탈출하는 데 성공했다. 잘려진 팔다리는 나중에 다시 부착해 정상적으로 가동할 수 있었다. 로봇에 적용된 핵심 기술 중 하나는 점착성 고분자를 지지하는 새로운 소재인 2연속 열가소성 폼(BTF)이다. 이 조합을 사용하면 로봇의 구조적 무결성을 잃지 않으면서 관절을 녹이고 분리하며, 다시 연결해 현장에 투입할 수 있다. 사지 자가 절단 외에도 개발된 로봇은 서로 합쳐서 장애물을 극복할 수 있다. 연구진이 공개한 또 다른 동영상에서는 테이블 사이의 틈새를 건너지 못하는 단일 로봇이 다른 로봇과 합체해 더 큰 로봇으로 변신, 장애를 해결한다. BTF와 끈적이는 폴리머의 새로운 조합은 유연하면서도 강력한 연결 기능을 제공한다. 연결된 로봇은 내구성이 뛰어난 것으로 판명됐으며, 여러 번의 분리 및 재부착에도 문제가 발생하지 않아 소프트 로봇공학에 새로운 가능성을 열어주었다고 한다. 연구팀은 이런 로봇 기술이 자율 절단 및 상호 융합을 통해 형태 변화가 다양하게 가능한 로봇 개발로 이어질 수 있다고 밝혔다. 로봇공학의 혁명적인 변화를 예고하는 것이라고. 형태를 바꾸는 로봇은 로봇 공학의 혁명적인 단계로 여겨져 왔다. 그 꿈은 점점 현실화되고 있다. 로봇 기술의 도약은 로봇이 예측할 수 없고 익숙하지 않은 환경에서 원활하게 작동할 수 있는 세계로 더 가까이 다가가도록 만들어주고 있다. 언젠가 트랜스포머의 옵티머스 프라임이 실제로 등장할 지도 모른다.
-
- IT/바이오
-
[신소재 신기술(80)] 예일대, 팔 다리 절단 등 자유롭게 변형 가능한 로봇 개발
-
-
[신소재 신기술(77)] 나사, 소변을 식수로! 혁신적인 새 우주복 개발
- 미국 과학자들이 소변을 식수로 5분만에 바꿀 수 있는 획기적인 우주복을 설계했다. 코넬 대학교 연구진은 영화 '듄'에 등장하는 전신 '스틸슈트'와 같은 공상 과학 기술을 현실로 구현하기 위한 우주복용 소변 수집 및 여과 시스템 시제품을 개발했다고 영국 일간지 더 가디언스와 과학 전문 웹사이트 PHYS.org, 라이스사이언스닷컴 등 다수 외신이 보도했다. 우주 유영중인 우주 비행사들이 우주복 안에서 용변을 해결해야 하는 것은 잘 알려진 사실이다. 이는 불편하고 비위생적일뿐만 아니라 ,국제 우주 정거장(ISS)내 폐수와 달리 우주 유영 중 발생하는 소변 속 물을 재활용할 수 없다는 점에서 낭비적인 측면도 있다. 스틸슈트는 땀과 소변을 통해 손실되는 수분을 흡수, 정화하여 식수로 재활용하는 기능이 있다. 나사의 새 우주복 디자인은 '프론티어스 인 스페이스 테크놀로지(Frontiers in Space Technology)' 저널에 게재됐다. 연구팀은 진공 기반 외부 도뇨관과 정삼투-역삼투 통합 장치를 통해 우주 비행사에게 지속적으로 식수를 공급하며, 다양한 안전 장치를 통해 안전을 보장한다고 밝혔다. 미국 나사가 2025년과 2026년에 예정된 유인 우주 탐사선 아르테미스 Ⅱ와 아르테미스 Ⅲ 임무를 위해 개발된 이 시스템은, 기존 우주복의 폐기물 관리 시스템인 MAG(Maximum Absorbency Garment)의 불편함과 비위생 문제를 해결하려고 했다. MAG는 1970년대 후반부터 사용된 일종의 성인용 기저귀로, 누출 및 요로 감염, 위장 장애 등 건강 문제를 일으키는 것으로 알려져 있다. 연구팀이 개발한 소변 수집 장치는 유연한 직물로 만들어진 속옷과 실리콘으로 제작된 수집컵으로 구성된다. 수집 컵은 남녀 신체 구조에 맞게 설계되었으며, 내부에는 폴리에스터 극세사 또는 나일론-스판덱스 혼합 소재가 사용되어 소변을 흡수하고 진공 펌프를 통해 빨아들인다. 수집된 소변은 우주복 등에 부착된 여과 시스템으로 이동하며, 2단계 장삼투-역삼투를 통해 87% 효율로 재활용된다. 정제된 물은 전해질을 추가하여 식수로 사용 가능하다. 500ml 소변을 수집하고 정화하는 데는 5분이 소요된다. 이 시스템은 제어 펌프, 센서, 액정 디스플레이 화면을 포함하며, 20.5V, 40Ah 배터리로 작동한다. 크기는 38x23x23cm, 무게는 약 8kg으로 우주복 뒷면에 부착할 수 있도록 작고 가볍게 설계됐다. 현재 시제품이 완성됐으며, 향후 모의 환경 및 실제 우주 유영에서 테스트될 예정이다. 이를 통해 시스템의 기능성과 안전성을 검증하고 실제 우주 임무에 적용할 수 있을 것으로 보인다.
-
- 포커스온
-
[신소재 신기술(77)] 나사, 소변을 식수로! 혁신적인 새 우주복 개발
-
-
영국 어린이 암 환자, 로봇 덕분에 학교 수업 참여
- 암으로 투병 중인 영국 런던의 한 학생이 대화형 로봇의 도움을 받아 학교 수업을 따라가고 있다고 BBC가 전했다. 주인공은 12세의 하워드. 하워드는 지난해 12월 희귀암 중 하나인 팔암 진단을 받고 올 1월부터 집중적인 화학 치료를 시작했다. 이 때문에 학교 출석률은 50% 미만으로 떨어졌다. 트위크넘에 소재한 학교에 다니던 하워드는 학교 수업을 따라가기 위한 방법을 찾았고, 'AV 하워드'라는 대화형 아바타와 시청각 로봇을 소개받아 집과 병원에서 수업을 받을 수 있게 됐다. 하워드가 수업을 받을 수 있도록 교사 및 동료 학생들은 AV 하워드를 수업에 활용하는 교육도 받았다고 한다. 하워드는 AV 하워드에 부착된 카메라를 사용해 책과 워크시트를 읽을 수 있었으며, 내장 스피커를 통해 동료 학생들과 대화할 수 있었다. 동료 학생들은 수업 시간마다 교대로 로봇을 운반해 하워드가 나머지 수업에 참여할 수 있도록 지원했다. 동료 학생들에게도 새로운 방식의 로봇 협업 수업이 교육 효과를 높이는 것으로 평가됐다. 수업에 더 적극적으로 참여하고 로봇과의 대화에 더 큰 흥미를 느꼈다는 것이다. 마틴 오설리번 교장은 "암 치료를 받는 학생은 교육 현장에서 멀어질 수밖에 없고, 학습 진도를 따라가지 못하는 물리적인 측면은 물론 동료와의 사회 생활을 이어가지 못하는 정신적인 건강 측면에서도 큰 문제가 될 수 있다. AV 하워드를 활용한 교육은 다양한 이유로 현장에서 교육을 받을 수 없는 학생들에게 희망을 주는 미래가 될 것"이라고 기대했다. 이 로봇은 하워드 등 중환자 어린이와 그 가족을 지원하는 자선단체인 차트웰 어린이 암 신탁(Chartwell Children's Cancer Trust)에서 제공했다. 하워드 지원이 긍정적인 효과를 보임에 따라 차트웰 신탁은 더 많은 어린이들이 로봇의 도움을 받을 수 있도록 조치할 방침이다. 차트웰 신탁의 가족 지원 담당 엠마 설은 "어린이 환자를 돌보고 있는 가족이 필요로 하는 것은 무엇일까를 끊임 없이 고민한다. 하워드에게 가장 필요한 것은 교육에 접근하는 것이었고, AV 하워드를 통해 솔루션을 찾아 냈다”고 말했다.
-
- IT/바이오
-
영국 어린이 암 환자, 로봇 덕분에 학교 수업 참여
-
-
[신소재 신기술(75)] 땀으로 혈당 측정하는 소형 레이저 장착 밴드, 당뇨 관리 혁신 이끌다
- 땀으로 혈당 등 건강상태를 측정할 수 있는 소형 레이저가 장착된 밴드(일종의 반창고)가 개발됐다. 싱가포르 난양공과대학(NTU) 연구진은 땀을 통해 건강 지표를 추적할 수 있는 혁신적인 미세 레이저 장착 밴드를 개발했다고 메디컬 익스프레스와 인터레스팅엔지니어링 등 다수 외신이 전했다. 이 혁신적인 밴드는 마이크로레이저 기술을 부드러운 하이드로겔 필름에 통합해 실시간으로 정밀한 바아오마커(생체 지표)를 감지한다. 특히 이 기술은 당뇨병 환자의 경우, 채혈 없이 혈당 수치를 실시간으로 확인할 수 있어 편의성을 크게 높였다. NTU 전자전기공학부(EEE) 연구팀은 액정 방울에 마이크로레이저를 캡슐화하고 액체를 부드러운 하이드로겔 필름에 내장함으로써 석고처럼 작고 유연한 빛 기반 감지 장치를 만들어 팔에 부착함으로써 몇 분 안에 매우 정확한 바이오마커 판독값을 제공할 수 있었다. 인간의 땀에는 포도당, 젖산, 요소와 같은 건강 상태를 나타내는 바이오마커가 포함되어 있으며, 이를 통해 다양한 건강 상태를 파악할 수 있다. 기존에는 당뇨병 환자들이 혈당 수치를 모니터링하기 위해 손가락 채혈과 같은 침습적인 방법에 의존해 왔다. 하지만 이런 방법은 통증과 불편함을 야기할 수 있다. 센서 기반 장치도 있지만 비용이 많이 들고 장시간 피부에 부착하면 불편함을 느낄 수 있다는 단점이 있다. NTU 연구팀은 미세 레이저 기술을 부드러운 하이드로겔 필름에 통합하여 유연하고 컴팩트한 센서 장치를 개발했다. 이 장치는 땀 속 생체 지표 수준을 빠르고 정확하게 감지해 채혈 등의 침습적인 절차 없이 건강 상태를 모니터링 할 수 있다. 연구팀은 이 밴드가 건강 모니터링 기술의 중요한 발전이라고 강조했다. 밴드의 각기 다른 색깔의 점들은 포도당, 젖산, 요소를 나타내며 동시에 세 가지를 모두 모니터링할 수 있도록 설계됐다. NTU의 EEE 조교수이자 바이오디바이스 및 바이오인포매틱스 센터 첸 유청 소장은 "저희의 혁신은 당뇨병 환자가 건강을 모니터링하는 비침습적이고 빠르고 효과적인 방법을 나타낸다. 마이크로레이저와 소프트 하이드로겔 필름을 결합함으로써 환자에게 보다 즐거운 건강 모니터링 경험을 제공하는 웨어러블 레이저의 실현 가능성을 입증했다"고 말했다. 실험 결과, 이 밴드는 기존 기술보다 100배 더 민감하게 0.001mm의 미세한 생체 지표 변화를 감지하는 놀라운 성능을 보였다. 이러한 정밀도는 생체 지표 추적 정확도를 높여 사용자의 건강 상태를 자세히 파악할 수 있게 한다. 연구의 제1저자인 NTU 박사 후보생 니 닝위안은 "저희 기기는 바이오마커 수치의 높고 낮은 범위를 모두 감지할 수 있다. 이는 현재 유사한 건강 모니터링 기기가 높은 포도당 수치만 추적하는 데 초점을 맞추고, 다른 건강 합병증을 나타낼 수 있는 비정상적이거나 낮은 포도당 수치는 추적하지 않기 때문에 당뇨병 환자에게 특히 유익하다. 기존 기기와 비교했을 때 저희 기기는 다양한 판독값을 나타내 사용자의 건강 상태를 명확하게 보여준다"고 설명했다. 연구팀은 이 장치를 더욱 발전시켜 땀에 존재하는 약물 및 기타 화학 물질과 같은 추가적인 물질을 감지하는 데에도 활용할 계획이다. 이번 연구 결과는 학술지 '분석 화학(Analytical Chemistry)에 게재됐다.
-
- 포커스온
-
[신소재 신기술(75)] 땀으로 혈당 측정하는 소형 레이저 장착 밴드, 당뇨 관리 혁신 이끌다
-
-
일본 도쿄대 연구진, 살아 있는 인간 피부로 웃는 로봇 개발
- 일본 과학자들이 살아 있는 인간 피부를 로봇 얼굴에 붙여 웃는 모습이 사람과 같이 자연스러운 로봇을 개발했다고 BBC방송이 전했다. 로봇 개발은 도쿄 대학 연구팀이 수행했으며 그 결과는 '셀 리포츠 피지컬 사이언스(Cell Reports Physical Science)' 저널에 실렸다. 이에 따르면 일반 상식을 뛰어넘는 획기적인 방법의 로봇 개발은 사람의 피부 세포조직을 복제하는 것에서 비롯됐다고 한다. 개발된 프로토타입 로봇은 사람처럼 보인다기보다는 하리보에 더 가깝게 느껴진다. 하리보는 일본의 젤리 브랜드다. 그럼에도 불구하고 연구팀은 이번 로봇의 개발은 쉽게 파손되지 않는 자가 치유 피부를 가진, 설득력 있고 현실적인, 움직이는 휴머노이드 로봇을 만드는 길을 열어줄 것이라고 기대했다. 인공 피부는 인간의 살아있는 세포를 사용하여 실험실에서 복제해 만들어졌다. 연구팀은 만들어진 피부가 진짜처럼 부드러울 뿐만 아니라, 상처가 나거나 심지어 잘리더라도 스스로 복구할 수 있다고 설명했다. 과거에도 인공 피부를 부착하려고 시도했지만 쉽지 않았다. 당시 개발팀은 작은 고리(미니 후크)를 앵커로 사용하려고 시도했지만, 로봇이 움직일 때 부착한 피부가 손상되는 결과를 가져왔다. 사람의 경우 피부는 인대(유연한 콜라겐과 엘라스테인으로 이루어진 작은 밧줄)로 묶여 있다. 연구진은 이 같은 기본 구조를 재현하기 위해 로봇에 많은 작은 구멍을 뚫고, 콜라겐이 포함된 젤을 적용한 다음, 그 위에 인공 피부층을 접합했다. 젤은 로봇에 뚫린 구멍을 막고 피부를 로봇에 결합한다. 연구팀의 수석 연구원인 다케우치 쇼지 교수는 "인간의 피부 및 인대 구조를 모방하고 고체 물질에 특수 제작된 V자형 천공을 사용함으로써 피부와 로봇을 결합하는 방법을 발견했다"고 설명했다. 다케우치 교수는 이어 "피부의 자연스러운 유연성과 강력한 접착 방법을 통해 피부가 찢어지거나 벗겨지지 않고 로봇과 결합해 일체가 되어 움직일 수 있다"고 부연했다. 연구원들은 이 기술이 상용화되기 위해서는 앞으로도 수년 동안의 테스트가 필요할 것이라고 말했다. 특히 중요한 과제는 로봇 피부 내부에 정교한 작동기, 즉 근육을 통합해 인간과 같은 표정을 만드는 것이라고 연구진은 밝혔다. 이 연구는 앞으로 사람들의 실제 성형 수술을 포함해 피부 노화 방지, 화장품 개발 등의 분야에서도 유용할 수 있다는 기대다.
-
- IT/바이오
-
일본 도쿄대 연구진, 살아 있는 인간 피부로 웃는 로봇 개발
-
-
삼키는 알약 로봇 필봇, 집에서 내시경 시행하고 원격 진단까지
- 원격의료 분야 스타트업 엔디엑스(Endiatx)가 개발한 삼키는 알약 로봇 필봇(PillBot)이 임상 시험에 들어가 상용화에 성큼 다가섰다. 필봇은 사람이 알약을 먹듯이 삼켜 위장 상태를 점검하는 작은 로봇으로, 내시경과 같은 침습적 의료 시술을 피함은 물론 원격 제어의 길도 열어 줄 것으로 기대되고 있다고 인터레스팅엔지니어링이 전했다. 필봇은 ‘위장 속에서 움직이는 눈’과 같은 역할을 한다. 로봇 내부에는 펌프젯 추진기가 장착돼 있으며, 필봇은 그 동력으로 멀티콥터 드론처럼 움직인다. 물론 로봇 경로는 외부에서 제어할 수 있다. 엔디엑스는 카메라와 센서가 부착된 알약 크기의 필봇을 사람이 복용하면 카메라가 찍은 영상을 전문의가 보고 위장 상태를 진단할 수 있다고 밝혔다. 특히 무선 통신도 가능하기 때문에 집에서 전문의와 원격 상담도 가능하다는 설명이다. 엔디엑스의 토레이 스미스 CEO는 “현재 알약 로봇인 필봇의 임상 시험을 진행하고 있다”고 말하고 3분기 중 미국의 주요 의료 기관에서 본격적인 시험을 시작할 예정이라고 덧붙였다. 위암 조기 진단 기대 위암은 치료하기에는 이미 늦은 상태에서 진단되는 경우도 많다. 위암은 매년 미국에서 1만1000건, 전 세계적으로 80만 건의 진단이 기록된다. 필봇은 이런 위암의 조기 진단에도 큰 효과를 보일 것으로 기대된다. 실리콘밸리에서 2019년 설립된 엔디엑스는 설립 이후 진단 및 치료 응용 분야에서 인체 속에서 움직이며 관찰하는 소형 로봇을 개발해 왔다. 필봇은 이 회사의 첫 번째 작품으로, 섭취 가능한 로봇 캡슐이다. 카메라, 센서 및 무선 통신 기술을 갖춘 필봇을 사용하면 의사는 높은 정밀도와 제어로 위장관을 검사할 수 있다. 필봇은 특히 별도의 의료 시설이 필요하지 않아 추가 투자 부담이 적다. 나아가 병원 접근이 제한된 계층을 위한 원격 의료도 활성화시킬 수 있다. 의료 사각지대의 위암 검사를 활성화하는 동시에 저소득층에 대한 의료 서비스 개선을 꾀할 수 있다. 엔디엑스 측은 필봇을 통해 원격 의료가 크게 발전할 것이며, 위암의 조기 진단으로 많은 사람의 생명을 구할 수 있을 것이라고 주장했다. 혁신적인 원격 진단 필봇은 상복부 내시경(EGD)을 대신한다. 위장 내부를 빠르게 관찰할 수 있다. 필봇을 삼키기 위해 사용자가 준비할 일은 식사를 건너뛰고 물을 많이 마시는 것 외에는 없다. 필봇의 크기는 13mm x 30mm로, 임상 시험에 들어간 프로토타입은 현재까지 인상적인 기능을 보여주고 있다고 한다. 고해상도 동영상을 초당 2.3메가픽셀로 전송하고 있는데, 회사는 곧 동영상 품질을 4배로 높인다는 계획이다. 원격으로 떨어져 있는 의사는 스마트폰 앱을 사용해 환자의 뱃속에서 움직이는 로봇을 조종한다. 필봇은 6~24시간 후 작동을 멈추고 자연적으로 몸 밖으로 배출된다. 회사 연구진은 현재 인공지능(AI)을 사용해 예비 진단을 수행하고, 의사가 치료 과정을 수립하는 작업을 진행하고 있다. 필봇은 현재 위장에서의 움직임과 카메라 작동을 수동으로 제어해야 하는데, 이를 AI 기술로 자동화한다는 것이다. 즉 위장에서의 자율주행 기능을 추가한다는 것. 연구팀은 나아가 필봇 기술을 위장은 물론, 대장, 혈관계, 심장, 간, 뇌 및 기타 신체 부위 검사까지 확장할 계획이다. 궁극적으로 병원은 이 기술을 이용해 보다 긴급한 진료와 수술에 집중할 수 있을 것이라는 기대다. 한편 진행 중인 임상 시험을 통해 엔디엑스는 미국 식품의약국(FDA) 승인을 받고 2026년 초 미국에서 상업적으로 출시하는 것을 목표로 하고 있다.
-
- IT/바이오
-
삼키는 알약 로봇 필봇, 집에서 내시경 시행하고 원격 진단까지
-
-
[신소재 신기술(64)] 자가 치유 젤, 의료·로봇 공학 등 응용 분야 다양
- 유리처럼 단단하면서도 길이를 최대 5배까지 늘릴 수 있는 새로운 자가 치유 젤이 개발됐다. 미국 노스캐롤라이나 주립대학교(NCSU) 연구진이 개발한 이 젤은 최근 발견된 물에 노출될 경우 자가 치유되는 유리와 유사한 특징을 보이며, 절단되거나 손상된 부분이 스스로 복구되는 놀라운 특성을 지나고 있다고 BGR이 전했다. 연구팀은 이 새로운 물질에 '유리 젤(glassy gel)'이라는 이름을 붙였다. 이는 기존에 없던 새로운 물질로 우연히 발견되었다고 한다. NCSU 연구원인 메이시앙 왕(Meixiang Wang)은 이온젤을 연구하던 중 우연히 유리 젤을 발견했다고. 이온젤은 전기를 전도할 수 있는 이온성 액체를 이용하여 팽창된 고분자로 구성된 물질이다. 왕 연구원은 의료 기기, 로봇 공학, 압력 센서 등에 활용될 수 있는 신축성 있고 착용 가능한 장치를 만들기 위해 이온젤을 연구하고 있었다. 그는 이온젤 구성을 변경하는 과정에서 투명하고 평범한 플라스틱처럼 보이는 새로운 유리 젤을 만들어냈다. 연구팀은 이 물질을 테스트 하는 과정에서 뛰어난 신축성 뿐만 아니라 높은 강도와 자가 치유 능력을 가지고 있다는 것을 발견했다. 특히 절단된 젤을 다시 붙이면 상온에서 몇 시간 안에 원래 상태로 복구되는 놀라운 자가 치유 능력은 기존의 자가 치유 물질과 차별화되는 특징이다. 이후 팀은 이 새로운 자가 치유 젤의 특성을 이해하기 위한 연구에 몰두했다. 유리 젤은 50~60%가 액체로 구성되어 있음에도 불구하고 건조되지 않는 특징을 보였다. 또한 매우 높은 파괴 강도를 가지고 있으며, 물체를 부착할 수 있을 뿐만 아니라 절단 후에도 스스로 복구될 수 있다. 심지어 특정 형태로 늘렸을 때 열을 가하기 전까지 해당 형태를 유지하는 '기억' 능력도 가지고 있었다. 신축성 있고 젤과 같은 물질에서 재생 특성이 발견되는 것은 새로운 일이 아니지만, 이번 유리 젤의 특별한 구성 성분은 연구자들에게 더욱 흥미로운 연구 주제를 제공했다. 연구팀은 실제 응용 분야에 활용되기 전에 추가적인 최적화 및 테스트가 필요하다고 밝혔다. 유리 젤은 실용화되기까지는 몇 년이 걸릴 수 있지만, 이러한 새로운 물질의 발견은 미래의 다른 소재 개발에 혁신적인 돌파구를 제공할 수 있다는 점에서 큰 기대를 모으고 있다. 특히, 자기 치유 능력을 가진 유리 젤은 의료, 로봇 공학이나 전자 기기 등 다양한 분야에서 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 이번 연구 결과는 '네이처(Nature)' 저널에 게재됐다.
-
- 포커스온
-
[신소재 신기술(64)] 자가 치유 젤, 의료·로봇 공학 등 응용 분야 다양
-
-
후각 능력 탁월한 꿀벌, 폐암 조기 진단 가능성 제시
- 꿀벌이 폐암 조기 진단에 도움이 될 수 있다는 사실이 미시간 주립대학교(MSU) 연구진의 연구 결과 밝혀졌다. MSU는 연구 보고서 요약 글을 홈페이지에 게재했다. 이 소식은 폭스뉴스, 로이터 등 외신들도 주요 뉴스로 전했다. 홈페이지 게시글에 따르면 입에서 나오는 냄새를 꿀벌의 감각과 연결해 폐암을 조기 진단함으로써 인간의 생명을 구하는 새로운 방법이 될 수 있다는 것이다. MSU 연구진은 꿀벌이 인간이 호흡할 때 폐암과 관련된 화학 물질을 감지할 수 있다는 사실을 발견했다. 꿀벌이 82%의 높은 성공률로 인간 폐암 바이오마커를 탐지할 수 있었다는 것이다. 이 연구 결과는 '바이오센서&바이오일렉트로닉스' 저널에 발표됐다. 연구진은 "이번 연구 결과는 꿀벌의 후각 시스템이 인간의 폐암을 감지하는 생물학적 센서로 사용될 수 있음을 알려 주었다"고 밝혔다. 연구팀원인 MSU의 디베이트 사하 교수는 "곤충은 개와 마찬가지로 놀라운 후각을 가지고 있음이 확인됐다"고 말했다. 연구진은 꿀벌이 건강한 사람의 호흡과 폐암 환자의 호흡에서 화학 물질을 구별할 수 있는지의 여부를 확인하기 위해 폐암 환자의 호흡에서 검출되는 6가지 화합물과 건강한 사람의 호흡 화합물을 구별하는 발법론을 고안했다. 이를 통해 연구진은 약 20마리의 벌을 대상으로 건강한 인간 호흡 혼합물과 폐암 환자의 혼합 화합물 감응을 테스트했다. 연구진은 각각의 꿀벌의 활동을 측정하기 위해 뇌에 작은 전극을 부착했다. 그 후 암 환자와 정상인의 호흡을 꿀벌의 더듬이에 전달해 꿀벌 뇌의 신경 신호를 기록했다. 그 결과 꿀벌의 신경 반응에 변화가 발생했음을 확인했다. 연구팀은 꿀벌이 폐암을 나타내는 화합물이 비록 소량이라도 이를 탐지할 수 있다는 사실을 발견했다. 사하 교수는 "꿀벌은 매우 작은 농도의 화합물도 감지할 수 있었다. 호흡 혼합물의 화학적 농도의 미세한 변화를 10억 분의 1까지 구분할 수 있었다. 이는 매우 강력한 실험 결과였다"라고 강조했다. 꿀벌은 특히 합성 폐암 환자의 호흡과 건강한 사람의 호흡의 차이를 명확히 구분해 냈다. 연구진은 게시글에서 이 연구가 인간의 호흡을 테스트해 폐암의 여부를 알아낼 수 있는 '꿀벌 뇌 기반 센서'의 개발로 이어지기를 희망한다고 썼다. 꿀벌은 특히 암세포를 발견할 뿐만 아니라 다양한 유형의 폐암 세포주를 구별하는 능력도 갖고 있었다. 연구진은 "꿀벌 뇌 센서가 특정 암을 신속하게 진단하고 정확한 치료를 받을 수 있을 것이며, 궁극적으로 미래 암 치료 부문에 큰 영향을 미칠 것“이라고 강조했다. 폐암은 전 세계적으로 암 중에서도 높은 비중을 차지하며, 사망의 주 원인이기도 하다. 폐암연구재단(Lung Cancer Research Foundation)에 따르면 2024년 미국에서는 약 23만 5580명이 폐암 진단을 받을 것으로 예상된다. 흡연은 폐암 발생의 주요 위험 요인이며 폐암 사망의 80%를 차지한다. 고위험 폐암을 조기에 발견하면 사망 확률을 최대 20%까지 줄일 수 있다.
-
- IT/바이오
-
후각 능력 탁월한 꿀벌, 폐암 조기 진단 가능성 제시
-
-
[신소재 신기술(47)] ETH 취리히, 그래핀 내 전자 소용돌이 최초 감지
- 스위스 연방 공과대학교(ETH 취리히)의 연구팀이 최초로 고해상도 자기장 센서를 사용해 그래핀에서 전자 소용돌이를 직접 검출하는 데 성공했다고 과학 웹사이트 phys.org가 지난 14일(현지시간) 보도했다. 금속 와이어와 같은 일반적인 전기 도체를 배터리에 연결하면 도체 내의 전자는 배터리가 생성하는 전기장에 의해 가속된다. 전자는 이동하는 동안 전선의 불순물 원자 또는 결정 격자의 빈 공간과 자주 충돌해 운동 에너지의 일부를 격자 진동으로 변환한다. 이 과정에서 손실되는 에너지는 예를 들어 백열전구를 만질 때 느낄 수 있는 열로 변환된다. 격자 불순물과의 충돌은 자주 발생하지만 전자 간의 충돌은 훨씬 드물다. 그러나 벌집 모양 격자로 배열된 탄소 원자 단일층인 그래핀을 일반적인 철 또는 구리 와이어 대신 사용하면 상황이 달라진다. 그래핀에서 불순물 충돌은 드물고 전자 간 충돌이 주요 역할을 한다. 이 경우 전자는 점성 액체처럼 행동한다. 따라서 잘 알려진 흐름 현상인 소용돌이(와류)가 그래핀 층에서 발생해야 한다. ETH 취리히의 크리스티안 데겐(Christian Degen) 연구원은 고해상도 자기장 센서를 사용해 그래핀의 전자 소용돌이를 처음으로 직접 감지하는 데 성공했다고 '사이언스(Science)' 저널에 보고했다. 고감도 양자 감지 현미경 데겐과 그의 동료 연구원들은 제작 과정에서 폭 1㎛(마이크로미터) 너비의 전도성 그래핀 스트립에 부착한 작은 원형 디스크에 형성된 소용돌이를 연구했다. 디스크의 직경은 1.2㎛에서 3㎛사이였다. 이론적 계산에 따르면 작은 디스크에서는 전자 소용돌이가 형성되지만 큰 디스크에서는 형성되지 않아야 한다. 소용돌이를 가시화하기 위해 연구팀은 그래핀 내부에 흐르는 전자가 생성하는 미세한 자기장을 측정했다. 이를 위해 연구팀은 다이아몬드 바늘 끝에 질소-공동 센터(Nitrogen-vacancy center, NV 센터)가 내장된 양자 자기장 센서를 사용했다. 원자 결함인 NV 센터는 외부 자기장에 따라 에너지 레벨이 변하는 양자 물체처럼 작동한다. 레이저 빔과 마이크로웨이브 펄스를 사용하면 센터의 양자 상태를 자기장에 최대 감도를 갖도록 준비할 수 있다. 연구원들은 레이저를 사용해 양자 상태를 판독함으로써 이러한 자기장의 세기를 매우 정확하게 측정할 수 있었다. 데겐 연구팀의 박사 과정 학생이었던 마리우스 팜은 "다이아몬드 바늘의 크기가 작고 그래핀 층과의 거리가 약 70나노미터에 불과하기 때문에 100나노미터 미만의 해상도로 전자 전류를 볼 수 있었다"고 말했다. 이 분해능은 소용돌이를 관찰하기에 충분하다. 소용돌이 흐름 방향 반전 관찰 연구팀은 측정에서 더 작은 디스크에서 예상되는 소용돌이의 특징적인 징후, 즉 흐름 방향의 반전을 관찰했다. 일반(확산) 전자 수송에서는 스트립과 디스크의 전자가 같은 방향으로 흐르지만, 소용돌이의 경우 디스크 내부의 흐름 방향이 반전된다. 계산에서 예측한 대로 더 큰 디스크에서는 소용돌이가 관찰되지 않았다. 팜은 "매우 민감한 센서와 높은 공간 분해능 덕분에 그래핀을 냉각할 필요도 없었고 상온에서 실험을 수행할 수 있었다"고 말했다. 또한, 연구팀은 전자 와류뿐만 아니라 정공 캐리어에 의해 형성된 와류도 감지했다. 그래핀 아래에서 전압을 가함으로써, 연구원들은 전류 흐름이 더 이상 전자가 아닌 정공이라고도 하는 누락된 전자에 의해 전달되도록 자유 전자의 수를 변경했다. 전자와 정공이 모두 작고 균형 잡힌 농도가 있는 전하 중립점에서만 와류가 완전히 사라졌다. 팜은 "현재 전자 소용돌이의 탐지는 기초 연구이며 아직 미해결 과제가 많이 남아 있다"고 말했다. 연구팀은 전자와 그래핀의 경계면과의 충돌이 흐름 패턴에 어떤 영향을 미치는지, 더 작은 구조에서 어떤 효과가 발생하는지 추가 연구를 진행할 계획이다. 출처: Marius L. Palm 외, '상온에서 그래핀의 전류 소용돌이 관찰', Science (2024). DOI: 10.1126/science.adj2167
-
- IT/바이오
-
[신소재 신기술(47)] ETH 취리히, 그래핀 내 전자 소용돌이 최초 감지
-
-
[신소재 신기술(46)] 머리카락만큼 얇고 소리 75% 차단하는 '방음 커튼'
- 아파트 등 공동주택이 늘어나면서 한밤중에 들려오는 소리에 잠을 못 이루는 사람이 많다. 반대로 너무 예민해서 자신이 내는 소리에 옆방이나 옆집 사람이 잠 못 이루는 것을 걱정하는 경우도 있다. 머리카락만큼 얇지만 소리를 75% 차단하는 방음 커튼이 미국에서 개발돼 층간 소음 등 소음 문제 해결에 희소식을 전하고 있다. 미국 매사추세츠공과대학교(MIT) 요엘 핀크(Joel Fink) 등 연구팀은 머리카락처럼 가는 직물에 스피커 기술을 접목해 조용한 공간을 만들 수 있는 방음 커튼을 개발했다고 발표했다. 방음 실크, 노이즈 캔슬링 기능 과학 전문 매체 기가진(Gigazine)에 따르면 MIT가 개발한 '방음 실크(soundproof silk)'는 두 가지 방식으로 조용한 공간을 조성하고 소음을 억제한다. 첫 번째는 소리에 반응해 음파를 발생시켜 소음을 상쇄하는 노이즈 캔슬링(noise-canceling) 기능이다. 직물에 노이즈 캔슬링 기능을 부여하는 기술은 직물을 마이크로 만드는 데 사용되는 기술을 응용한 것이다. 이전 연구에서는 진동을 받으면 전기 신호를 방출하는 압전 섬유를 직물에 꿰매어 직물 마이크를 제작했다. 반면 방음 실크는 압전 섬유에 전기 신호를 통과시켜 소리를 생성했다. 연구팀은 심지어 방음 실크를 원형 프레임에 부착해 바흐 음악을 재생하는 스피커로 사용하는 데도 성공했다. 이 직물은 소음과 반대 위상의 음파를 방출해 소리를 상쇄시켜 소음 제거 방음 실크를 구현했다. MIT의 그레이스 양(Grace Yang) 연구원은 이번 연구에 대해 "직물을 이용해 소리를 낼 수도 있지만 우리가 사는 세상은 이미 소음으로 가득 차 있기 때문에 소리를 내는 것보다 침묵을 만드는 것이 더 가치 있다고 생각했다"고 설명했다. 그러나 이 소음 제거 기능은 헤드폰과 귀 사이의 공간과 같은 좁은 공간에서만 작동하며 큰 방과 같은 넓은 공간에서는 작동하지 않는다. 직물에 진동 제어 기능 삽입 따라서 연구팀은 방음 실크에 두 번째 기능을 삽입했다. 섬유의 진동을 제어하고 직물이 움직이지 않도록 해 소리가 직물을 통과하지 못하게 한 것이다. 예를 들어, 아파트에서 이웃이 한밤중에 소음을 낼 경우 소음으로 인해 벽이 진동해 방 안에 소리가 발생하기 때문에 소리가 다음 아파트로 전달된다. 연구팀은 직물을 가만히 잡고 있을 때 방음 실크가 거울처럼 작동해 소리를 반사하고, 소리가 직물을 통해 청취자에게 전달되는 것을 막는다는 것을 발견했다. 이러한 방음 효과는 방과 같은 넓은 공간에서도 작동한다. 실제로 연구팀은 위의 그림 왼쪽 하단의 '직접 억제 모드'와 함께 소음 제거 기능을 테스트했을 때 최대 65데시벨, 즉 사람이 큰 소리로 말하는 것과 같은 음량의 소리를 줄일 수 있다는 것을 발견했다. 또한 직물의 진동을 억제하는 '진동 억제 모드'(오른쪽 하단)는 최대 75%까지 소음 전달을 줄일 수 있었다. 연구팀은 앞으로 다중 주파수를 차단할 수 있는 직물을 연구하고 압전 섬유 개수, 봉제 방법 및 인가 전압을 변경하여 방음 성능을 더욱 향상시킬 계획이다. 연구팀은 "이 특수 커튼을 통해 '역위상을 통한 소리의 상쇄와 '직물의 진동을 억제해 소리를 반사하는 것'이 가능하다"고 밝혔다. 이번 연구 내용은 2024년 4월 1일자 과학저널 '언드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)'에 게재됐다.
-
- 포커스온
-
[신소재 신기술(46)] 머리카락만큼 얇고 소리 75% 차단하는 '방음 커튼'
-
-
향유고래, 음성 알파벳 발견⋯인간 언어와 유사한 신호로 의사소통
- 과학자들이 인공지능(AI)에 사용되는 머신러닝 기술을 통해 향유고래(sperm whale)의 의사소통 과정을 일부 밝혀냈다. 미국 매사추세츠공대(MIT) 컴퓨터 과학 및 인공지능 연구소(CSAIL)와 국제 향유고래 언어 연구 덴체인 프로젝트 CETI(Cetacean Translation Initiative)의 연구원들은 최근 알고리즘을 사용해 '향유고래 음성 알파벳'을 해독함으로써 인간의 음성학 및 다른 동물 종의 의사소통 시스템과 유사한 향유고래 의사소통의 정교한 구조를 밝혀냈다고 MIT뉴스와 테크크런치 등 다수 외신이 7일(이하 현지시간) 보도했다. 향유고래는 이빨고래 중에서 가장 큰 종으로 몸길이는 수컷 17~21m, 암컷 18m에 달하며 몸무게는 수컷 35~74t, 암컷 20~36t이다. 머리에 밀랍으로 가득찬 경랍기관이 있으며 거대한 사각형 머리가 특징이다. 제이컵 앤드리아 교수팀은 7일 과학 저널 '네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)'에서 카리브해에 서식하는 향유고래의 소리를 분석, 짧은 클릭 소리인 코다(coda, 악곡 종결부)가 대화와 맥락에 따라 구조가 크게 달라지는 것을 발견했다고 밝혔다. 이 연구는 다양한 언어적 기능을 수행하는 일련의 클릭음인 코다에 대해 다룬다. 도미니카 향유고래 프로젝트를 통해 관찰된 동부 카리브해 향유고래과에서 수집된 약 9000개의 코다는 이 생물의 복잡한 의사소통 시스템을 밝혀내는 데 중요한 출발점이었다. 연구팀은 지난해 6월 세상을 떠난 선구적인 해양 생물학자 로저 페인의 연구를 참고했다. 페인의 가장 영향력 있는 연구는 혹등고래의 노래에 관한 것이었다. 페인은 1971년 과학 기사인 '혹등고래의 노래'에서 고래가 노래하는 방법을 기록했다. 그의 작업은 나중에 '고래 구하기' 운동을 촉진했다. 연구팀은 카리브해 동부의 작은 섬 도미니카 해안에서 연구원 셰인 게로가 수집한 8719개의 향유고래 코다 데이터 세트를 분석하기 위해 머신러닝 솔루션을 배포했다. 이들은 연구자들이 '리듬', '템포', '루바토', '장식'이라고 부르는 다양한 요소가 상호 작용하여 구별 가능한 방대한 코다를 형성하는 '향유고래 음성 알파벳'이라는 것을 발견했다. 연구팀은" 향유고래가 다양한 클릭 소리와 리듬을 만들고 이를 조합, 변조할 수 있다"며 "이를 활용한 의사소통 체계가 이전에 생각했던 것보다 더 복잡하고 정보전달 능력도 뛰어난 것으로 나타났다"고 말했다. 이 실험은 동부 카리브해의 고래류에 부착된 음향 바이오 로깅 태그(특히 'D-태그'라고 불리는)를 사용하여 수행됐다. 이 태그는 고래의 발성 패턴의 복잡한 세부 사항을 포착했다. 새로운 시각화 및 데이터 분석 기술을 개발함으로써 CSAIL 연구진은 향유고래 개체가 같은 코다를 반복하는 것뿐만 아니라 오랫동안 다양한 코다 패턴을 낼 수 있다는 사실을 발견했다. 연구팀은 향유고래는 클릭 소리 중 코다로 불리는 부분을 통해 자기 신원을 알리는 것으로 밝혀졌지만 의사소통 시스템에 대해서는 밝혀진 게 거의 없다고 말했다. 이들은 이 연구에서 향유고래 자료가 가장 많은 도미니카 향유고래 프로젝트(Dominica Sperm Whale Project) 데이터 가운데 카리브해 동부에 서식하는 향유고래 60여 마리가 다른 개체와 사이에서 내는 소리를 녹음한 데이터를 분석했다. 이 과정에서 향유고래가 다양한 클릭 소리와 리듬을 만들고 이를 조합, 변조할 수 있으며, 클릭 소리 순서의 구조와 조합이 개체 간 대화 맥락에 따라 달라진다는 사실을 발견했다. 다니엘라 루스(Daniela Rus) CSAIL의 책임자이자 MIT의 전기공학 및 컴퓨터과학(EECS) 교수는 "우리는 기존의 실측 데이터 없이 향유고래 통신의 신비를 해독하기 위해 미지의 세계로 모험을 떠난다"라고 말했다. 루스 교수는 "머신러닝을 사용하는 것은 고래의 통신 특징을 파악하고 다음에 무엇을 말할지 예측하는 데 중요하다. 우리의 연구 결과는 구조화된 정보 콘텐츠가 존재한다는 것을 나타내며, 복잡한 의사소통은 인간에게만 있다는 많은 언어학자들의 통념에 도전하는 것이다. 이는 다른 종들도 지금까지 밝혀지지 않은 수준의 의사소통 복잡성을 가지고 있으며, 행동과 깊은 관련이 있음을 보여주는 한 걸음이다라고 말했다. 그는 이어 "우리의 다음 단계는 이러한 커뮤니케이션의 의미를 해독하고 말하는 내용과 집단 행동 사이의 사회적 수준의 상관관계를 탐구하는 것"이라고 덧붙였다.
-
- IT/바이오
-
향유고래, 음성 알파벳 발견⋯인간 언어와 유사한 신호로 의사소통
검색 결과가 없습니다.