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[신소재 신기술(146)] 국내 연구진, 고체 내 전자의 양자 기하학 첫 측정…양자역학 새 지평 열다
- 국내 연구진이 포함된 국제 공동 연구팀이 고체 내에서 움직이는 단일 전자의 기하학적 '형태'를 최초로 즉정하는 데 성공했다. 이번 연구는 결정질 고체의 양자적 거동을 연구하는 새로운 방법을 제시하는 획기적인 성과로 평가된다고 사이언스 얼럿이 5일(현지시간) 전했다. 과학자들은 전자의 에너지와 운동을 계산하는 방법을 알고 있었지만, 전자의 양자 모양을 이해하는 것은 지금까지 이론적으로만 가능했다고 인터레스팅엔지니어링은 지적했다. 미국 매사추세츠 공과대학교(MIT)의 리카르도 코인(Riccardo Comin) 물리학과 교수는 "우리는 이전에는 얻을 수 없었던 새로운 정보를 얻는 방법을 개발했다"고 밝혔다. 이번 연구는 MIT에서 박사후 연구원으로 재직했으며 현재 코넬 대학교에 있는 강민구 박사와 서울대학교 김선제 교수가 주도했다. 물리학에서 물질은 고전 물리학으로 설명되는 방식으로 주로 이해된다. 그러나 입자 간 상호 작용이나 측정이 이루어지는 근본적인 수준에서는 고전 물리학과 달리 양자역학의 원리에 따라 움직인다. 전자는 입자와 파동, 두 가지로 행동할 수 있다. 전자를 입자라고 부르지만, 이는 작은 콩과 같은 이미지를 연상시키기 쉽다. 그러나 전자의 크기와 그 양자적 특성은 파동의 형태로 설명하는 게 훨씬 더 정확하다. 물리학자들은 전자의 파동적 측면을 설명하기 위해 파동함수를 사용한다. 파동함수는 특정 위치에서 특정 상태의 입자가 존재할 확률을 기술하는 수학적 모델로, 전자의 양자적 특성을 표현한다. 이러한 파동함수의 일부 특징은 기하학적 형태로 해석될 수 있으며, 이는 곡선이나 구와 같이 무한한 방향으로 회전하는 구조를 갖는다. 원자 격자 내 전자의 양자 기하학은 클라인 병이나 뫼비우스 띠처럼 복잡한 형태로 나타나기도 한다. 연구 저자들은 "지금까지의 파동함수의 양자 기하학은 이론적으로만 추론될 수 있었거나 전혀 추론될 수 없었다"고 말했다. 그들은 그러나 "물리학자들이 양자 컴퓨터부터 고급 전자 기기 및 장치에 이르기까지 모든 것에 잠재적으로 적용할 수 있는 양자 물질은 점점 더 많이 발견함에 따라 이 속성은 점점 더 중요해지고 있다"라고 덧붙였다. 고체 내 전자의 복잡한 양자 기하학의 일부를 결정하는 것은 물리학자들이 간접적으로 추론하는 방식에 의존해왔다. 강민구 박사와 김선진 교수 연구팀은 전자의 양자 기하학을 직접 측정하기 위해 '양자 기하학적 텐서(QGT)'라는 물리량을 활용했다. QGT는 2차원 홀로그램이 3차원 공간의 정보를 인코딩하는 것과 유사하게, 양자 상태의 전체 기하학적 정보를 담고 있다. 연구팀은 '각도 분해 광전자 분광법(ARPES)'을 사용해 전자의 양자 기하학을 측정했다. 이 기술은 물질에 광자를 조사해 전자를 방출시키고, 전자의 편광, 스핀, 방출 각도 등 다양한 특성을 분석하는 방식이다. 이번 연구는 코발트-주석 합금 단결정을 대상으로 진행했다. 이 물질은 '카고메 금속(kagome metal)'으로 알려져 있으며, 연구팀은 앞선 연구에서도 동일한 물질의 특성을 조사한 바 있다. 연구 결과 고체 내에서 QGT를 최초로 측정했으며, 이를 통해 금속 내 전자의 나머지 양자 기하학적 특성을 유추할 수 있었다. 연구팀은 이 결과를 이론적으로 도출된 양자기하학과 비교해 즉접 측정과 추론 방식의 유효성을 검증했다. 팀은 이번 기술이 코발트-주석 합금뿐 아니라 다양한 재료에 적용 가능하다고 밝혔다. 특히, 초전도성이 발견되지 않은 물질에서 초전도성을 발견하는 등 새로운 가능성을 열 것으로 기대된다. 익명을 요한 한 전문가는 '양자역학의 기하학적 해석은 최근 응집물질 물리학 분야에서 많은 진전을 이루는 데 중요한 역할을 했다"며 "연구팀은 양자 상태의 기하학적 특성을 근본적으로 규명하는 QGT에 실험적으로 접근하는 방법을 개촉했다"고 평가했다. 그는 이어 "이번 연구에서 개발된 방법은 간단하고, 다양한 고체 재료에 적용할 수 있어 새로운 양자 현상에 대한 기하학적 이해를 이끌어낼 잠재력이ㅐ 크다"고 덧붙였다. 이번 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 피직스(Nature Physics)'에 게재됐다.
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[신소재 신기술(146)] 국내 연구진, 고체 내 전자의 양자 기하학 첫 측정…양자역학 새 지평 열다
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[증시 레이더] 코스피, 외국인·기관 매수에 2,440선 회복…코스닥 동반 상승
- 코스피가 3일 6거래일 만에 반등하며 2,440선을 회복했다. 외국인과 기관의 매수세에 힘입어 코스피지수는 전 거래일 대비 42.98포인트(1.79%) 상승한 2,441.92로 장을 마감했다. 코스닥지수는 19.13포인트(2.79%) 오른 705.76으로 마감하며 3거래일 연속 상승했다. 종가 기준 700선을 회복한 것은 지난해 11월 12일(710.52) 이후 약 두 달 만이다. 이날 원/달러 환율은 달러 강세에 힘입어 전거래일 대비 1.8원이 오른 1468.4원에 주간 거래를 마감했다. [미니해설] 코스피·코스닥 동반 상승⋯6거래일 만에 반등 성공 코스피가 6거래일 만에 반등하며 2,440선을 회복했다. 3일 코스피지수는 외국인과 기관의 매수세에 힘입어 전 거래일 대비 42.98포인트(1.79%) 상승한 2,441.92로 거래를 마쳤다. 지수는 장 초반 2,402.58에서 시작해 2,454.67까지 상승했으나, 윤석열 대통령 체포영장 집행 시도 중단 소식이 전해지면서 상승 폭이 다소 줄어들었다. 외국인 투자자들이 국내 주식시장에서 활발하게 매수했다. 현물시장에서 2,500억원, 코스피200 선물시장에서는 1조 2,300억원 어치를 사들이며 시장을 주도하고 있다. 기관 투자자들도 3,000억원 정도 순매수하며 외국인과 함께 매수세를 이끌고 있다. 반면, 개인 투자자들은 6,000억원 넘게 주식을 팔아 차익 실현에 나서고 있다. 시가총액 상위 종목들을 살펴보면, 특히 SK하이닉스(6.25%), LG에너지솔루션(2.89%), 네이버(3.46%), 포스코홀딩스(3.60%), 삼성전자(1.87%) 등이 강세를 나타내고 있다. 반면, 기아(-0.89%), HD현대중공업(-1.21%) 등 일부 종목은 하락세를 보이고 있다. 코스닥지수 역시 19.13포인트(2.79%) 상승하며 705.76으로 마감했다. 이는 3거래일 연속 상승한 결과로, 종가 기준 700선을 회복한 것은 지난해 11월 12일 이후 약 두 달 만이다. 이차전지 종목 급반등 전기차 캐즘(Chasm·일시적 수요 정체)에 눌려 연일 신저가를 기록하던 이차전지 종목이 3일 급반등했다. 한국거래소에 따르면 이날 코스닥시장에서 에코프로는 전 거래일보다 10.14% 오른 60,800원에 장을 마쳤다. 전날 장중 55,100원으로 52주 신저가를 기록했다가 분위기가 급반전됐다. LG에너지솔루션(2.89%), POSCO홀딩스(3.60%), 삼성SDI(3.13%), 포스코퓨처엠(6.09%)을 비롯해 에코프로비엠(7.11%), 코스모화학(12.74%), 코스모신소재(10.71%) 등 이차전지 밸류체인 전반이 동반 급등했다. 뉴욕증시에서 테슬라가 기대에 못 미치는 판매량에 급락했지만, 중국 상무부가 배터리 핵심 리튬 추출·음극재 가공 기술 수출 통제 추진 소식이 국내 이차전지 밸류체인 수혜 기대감을 끌어올린 것이라는 분석이다. 현대차와 테슬라의 전기차가 올해 미국 정부의 보조금(소비자 세액 공제) 대상에 포함됐다는 소식도 캐즘 우려에 억눌려있던 투자심리를 자극한 것으로 보인다. 원/달러 환율, 달러강세에 1468.4원에 마감 한편, 원/달러 환율은 3일 서울 외환시장에서 전 거래일 대비 1.8원 오른 1,468.4원에 마감됐다. 이날 원/달러 환율은 1,469.0원으로 출발해 장중 1,474.1원까지 상승했다가 1,464.7원까지 하락하는 등 등락을 반복했다. 미국 노동부 발표에 따르면, 지난주 신규 실업수당 청구 건수가 21만1,000건으로 전주 대비 9,000건 감소해 시장 전망치(22만5,000건)를 하회했다. 이에 따라 달러는 주요 6개국 통화 대비 강세를 보이며 달러인덱스가 장중 109.55까지 상승해 2022년 11월 이후 최고치를 기록했다. 환율 상승은 미국 경제 지표 호조와 함께 글로벌 달러 강세에 따른 결과로 풀이된다. 원/엔 환율은 933.74원, 유로화는 1,508.63원, 영국 파운드화는 1,820.74원으로 각각 마감됐다. 코스피와 코스닥의 상승은 외국인과 기관의 매수세가 주요 요인으로 작용했으며, 투자자들은 국내외 경제 지표에 주목하며 신중한 대응을 이어갈 것으로 보인다.
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[증시 레이더] 코스피, 외국인·기관 매수에 2,440선 회복…코스닥 동반 상승
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[신소재 신기술(145)] 쥐도 VR 체험 시대? 뇌 연구 혁신 이끌 VR 헤드셋 개발
- 뇌 연구의 새로운 지평을 열 생쥐 전용 가상현실(VR) 헤드셋이 개발됐다. 메타(구 페이스북)의 메타 퀘스트(Meta Quest)나 애플 비전 프로(Apple Vision Pro)와 같은 가상현실(VR) 헤드셋은 인간 전용으로 이용되고 있다. 그런데 이번에 쥐에게 씌우는 VR 헤드셋이 개발돼 주목된다고 PHYS가 전했다. 코넬 대학교 연구진이 뇌 연구에 사용하기 위해 실험실 생쥐용 VR 헤드셋을 개발했다. 그 결과는 네이처 메서드(Nature Methods) 저널에 최근 게재됐다. 이 VR 고글을 사용하면 학자들이 실제 쥐에게 몰입형 경험을 제공하는 동시에 설치류의 뇌 활동에 대한 형광 이미지를 포착할 수 있다고 한다. 연구진은 작은 쥐보다 훨씬 큰 크기의 고글은 스마트워치 디스플레이와 작은 렌즈 등 저렴한 기성 부품을 사용해 제작됐다고 말했다. 코넬 대학교의 매튜 아이작슨 박사는 코넬 대학교 공식 보도 자료에서 "다른 용도로 제작된 기기의 부품을 가져와 새로운 생물학적 용도의 헤드샛을 만들게 됐다“고 밝혔다. 아이작슨은 "쥐를 위한 VR 헤드셋에 완벽하게 맞는 크기의 디스플레이는 검토 결과 스마트워치용으로 이미 만들어진 것으로 충분히 사용할 수 있었다"며 "모든 부품을 새로 만들거나 설계할 필요가 없이 기성품으로 활용했다. 필요한 모든 부품을 저렴하고 쉽게 조달할 수 있었다"고 설명했다. 쥐는 뇌 활동 연구에 가장 많이 사용되는 생체다. 약 10년 전, 학자들은 가상현실 환경을 만드는 수단으로 쥐를 위한 엉성한 프로젝터 스크린을 사용하기 시작했지만, 이들 장치는 너무 많은 빛과 소음을 발생시켜 적절한 실험을 진행할 수 없었다. 코넬 대학교의 생물의학 공학 교수 크리스 샤퍼는 "생쥐용 VR 헤드셋을 사용해 쥐의 행동을 더 몰입적으로 만들면, 더욱 자연스러원 뇌 기능을 연구할 수 있을 것”이라고 기대했다. 마우스고글이라는 이름의 새로운 VR 헤드셋은 쥐가 머리를 고정한 채 공 모양의 러닝머신 위에 서 있도록 한다. 헤드셋은 머리에 부착되어 막대로 고정되고 쥐는 러닝머신 위에서 빙빙 돌게 된다. 연구진은 이 헤드셋이 제대로 작동하는지 확인하기 위해 쥐에게 접근하는 것처럼 보이도록 확장되는 어두운 얼룩의 이미지를 투영했다. 아이작슨은 "큰 화면이 있는 일반적인 VR 디스플레이에서 쥐를 대상으로 같은 테스트를 시도했을 때는 쥐가 전혀 반응하지 않았다. 그런데 개발된 VR 헤드셋을 이용한 시험에서는 거의 모든 쥐가 깜짝 놀라는 반응을 보였다. 쥐들은 그 이미지를 다가오는 포식자에게 공격당하는 것으로 인식하는 것 같았다“고 했다. 연구진은 또 VR 이미지가 제대로 작동하는지 확인하기 위해 쥐의 두 개의 주요 뇌 영역을 검사했다. 1차 시각 피질의 결과는 헤드셋이 쥐가 볼 수 있는 선명하고 대비가 높은 이미지를 형성한다는 것을 확인했으며, 두 번재 해마의 판독 결과는 쥐가 제공된 가상 환경을 성공적으로 매핑하고 있다는 것을 확인했다. 연구진은 이 VR 고글이 포유류(쥐든 인간이든)가 주변 환경을 돌아다닐 때 발생하는 뇌 활동을 연구하는 데 사용될 수 있으며, 연구자들에게 알츠하이머병과 같은 질환에 대한 새로운 통찰력을 제공할 수 있다고 말했다. 연구진은 쥐와 같은 대형 실험용 설치류가 착용할 수 있는 경량의 모바일 버전을 포함해 헤드셋을 추가로 개발한다는 계획이다. 또한 VR 경험에 미각이나 후각과 같은 더 많은 감각을 통합할 수 있는지도 확인한다는 방침이다.
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[신소재 신기술(145)] 쥐도 VR 체험 시대? 뇌 연구 혁신 이끌 VR 헤드셋 개발
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[신소재 신기술(144)] 나사 제트기 X-59, 무소음 초음속 테스트 성공
- 나사(NASA)가 저소음 초음속 연구용 항공기 X-59에 대한 첫 번째 완전 연소 테스트를 성공적으로 완료했다고 인터레스팅엔지니어링이 전했다. 캘리포니아주 팜데일에 소재한 나사의 스컹크 웍스 시설에서 진행된 이 테스트는 본격적인 시험 비행을 위한 중요한 이정표였다. 애프터버너는 완전 연소 테스트의 핵심이다. 애프터버너는 제트엔진의 터빈 뒤쪽에 설치된 연소 장치로, 엔진의 추력을 강화하는 장치다. X-59 제트기에서도 마찬가지로 초음속 비행 속도를 달성할 수 있도록 하는 필수 구성 부분이다. 나사는 이 테스트가 예상 온도 한계 내에서 성공적으로 작동했다고 밝혔다. 항공기 동체(프레임) 위의 공기 흐름도 예상 매개변수 내에 있었다. 이 테스트는 또한 애프터버너가 X-59의 다른 하위 시스템과 동기화되어 작동해야 한다는 기대치를 검증했다. 테스트는 지난 10월 실시한 최초의 시험 후 한 달 남짓 만에 진행됐다. 10월의 시험도 스컹크 웍스에서 실시되었으며, 누출 및 기타 잠재적인 문제를 확인하기 위해 저속에서 엔진을 가동했다. 완전 연소 테스트는 나사가 2023년 X-59를 대중에게 공식 공개한 지 1년도 채 되지 않은 시점에 이루어졌다. X-59 프로젝트는 약간의 지연이 있기는 했지만, 예상보다 빠른 속도로 진행됐다. X-59 제트기의 엔진은 약 2만 2000파운드의 추력을 전달해 약 5만 5000피트(약 16.764km) 상공에서 마하 1.4로 날아갈 수 있는 충분한 동력을 제공한다. 엔진은 제트기 상단의 나셀(항공기의 엔진, 연료, 항공장비를 담고 있는 유선형 몸체)에 위치해 있다. 맥도널 더글러스 DC-10의 세 번째 엔진과 유사하다. 이 구조는 초음속으로 날아갈 때 제트기에서 발생하는 소음을 줄이는 데 도움이 된다. 애프터버너 점화와 같은 테스트를 통해 설계팀이 제트기의 결함이나 기타 문제를 찾는 데 도움이 된다. X-59는 나사의 '조용한 초음속 기술(Quesst: Quiet SuperSonic Technology)' 프로젝트의 일부로 개발되고 있다. 프로젝트가 성공하면 X-59는 소음을 대폭 줄여 인구 밀집 지역 상공에서 초음속 제트기가 운항할 수 있는 길을 열게 될 것이다. 이는 콩코드가 퇴역한 이래 이러한 형태의 운송 수단을 부활시키는 데 도움이 될 것이라는 기대다. Quesst 프로젝트가 성공하면 다른 상업 파트너와 협력해 미국과 전 세계를 오가는 장거리 비행시간을 단축하게 된다. X-59는 음속을 돌파할 때 나는 소음을 줄이도록 설계됐다. 테스트를 통해 수집된 데이터는 규제 당국의 정책 수립에 참고 자료가 된다. 현재는 금지되어 있는 미국 본토 상공에서의 상업용 초음속 비행을 해제하는 데 결정적인 정보가 된다. 나사는 X-59의 첫 실전 비행 테스트를 2025년에 실시한다는 계획이다.
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[신소재 신기술(144)] 나사 제트기 X-59, 무소음 초음속 테스트 성공
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[신소재 신기술(143)] 카이스트, 하반신 마비 환자 보행 돕는 '아이언맨' 로봇 개발
- 카이스트(한국과학기술원) 연구진이 하반신 마비 환자의 보행을 돕는 '아이언맨' 로봇을 개발했다고 미국 온라인 미디어 KSL닷컴이 전했다. 개발된 로봇은 환자에게 걸어가서 신체에 스스로를 고정시켜 환자를 걷게 하고 장애물을 피하며 계단까지 오를 수 있는 가벼운 웨어러블 시스템이다. 카이스트 외골격 연구실 팀은 로봇 개발과 관련, "신체 마비 장애인의 일상생활에 완벽하게 통합될 수 있는 로봇을 만드는 것이 목표였다"고 밝혔다. 하반신 마비 환자이자 연구실 팀원이었던 김승환 씨는 시속 2마일(3.2km)의 속도로 걷고, 계단을 오르며, 옆으로 걸어 벤치에 앉을 수 있도록 돕는 로봇의 프로토타입을 직접 시연했다. 로봇이 걷는 속도는 정상인이 걷는 것과 비슷한 속도다. 김 씨는 "개발된 아이언맨 로봇은 내가 휠체어에 앉아 어디에 있든 내게 다가와서 나를 일어설 수 있도록 돕는다. 이것이 이 로봇의 가장 뚜렷한 특징 중 하나"라고 말했다. 워크온 수트 F1(WalkON Suit F1)이라는 이름이 붙여진 이 전동 외골격 로봇은 알루미늄과 티타늄으로 만들어졌다. 무게는 110파운드(약 49.89kg)이며, 걷는 동안 인간의 관절 움직임을 시뮬레이션하는 12개의 전자 모터로 구동된다. 연구팀원 박정수 씨는 개발된 로봇은 영화 '아이언맨'에서 아이디어를 얻었다고 말했다. "아이언맨을 본 후 실제로 유사한 로봇으로 신체가 부자유한 장애인을 도울 수 있다면 좋겠다고 생각했다"고 했다. 사용자가 걷는 동안 균형을 유지할 수 있도록 로봇의 발바닥과 상체에는 센서가 장착되어 있다. 이 센서들은 초당 1000개의 신호를 모니터링하고 사용자의 의도된 움직임까지 예상해 대응한다. 로봇 전면에 탑재된 렌즈는 사람의 눈 역할을 하면서, 주변 환경을 분석하고 계단의 높이를 식별하며 장애물을 감지함으로써 하반신 마비 장애인의 감각 능력 부족을 보완한다. 한편 이 로봇은 국제사이보그올림픽 '사이배슬론 2024' 외골격 부문에서 금메달을 수상했다. 이 대회에서는 다양한 신체 장애가 있는 개발자들이 8개 부문에 참가해 장애인을 보조하는 로봇을 시연했다. 김승환 씨는 "주변 사람들에게 저도 걸을 수 있었다고 말하고 싶었다. 이들과 다양한 경험을 공유하고자 했다"라고 덧붙였다.
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[신소재 신기술(143)] 카이스트, 하반신 마비 환자 보행 돕는 '아이언맨' 로봇 개발
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[신소재 신기술(142)] 난임 치료의 혁신-나팔관 막힘 제거하는 '자성 로봇 나사' 개발
- 난임 치료 분야에서 기존의 수술법을 대체할 수 있는 획기적인 기술이 등장했다. 자성으로 구동되는 마이크로 로봇 나사가 나팔관 막힘을 제거하는 방식으로, 난임의 주요 원인 중 하나를 해결하는 새로운 가능성을 열었다. 중국 선전 첨단기술연구원(SIAT) 자성 소프트 마이크로로봇 연구실은 나팔관 폐쇄로 인한 여성 난임 치료를 위해 '자성 마이크로 로봇(magnetic microrobot)' 나사를 개발했다고 인터레스팅엔지니어링이 전했다. 이는 전 세계 수백만명의 여성에게 영향을 미치는 나팔관 폐쇄 문제를 해결할 수 있는 기술로 주목받고 있다. 자성 로봇은 회전하는 자기장을 이용해 기계적인 움직임을 발생시키며, 기존의 카테터와 유도 와이어를 이용한 수술적 방식보다 덜 침습적인 치료법으로 기대를 모은다. 연구진은 이번 기술이 난임 치료 방법을 개선하고, 나팔관 폐쇄로 임신에 어려움을 겪는 여성들에게 새로운 희망을 제공할 것이라고 밝혔다. 정밀한 로봇 기술로 나팔관 폐쇄 난임 해결 전 세계적으로 약 1억8600만명이 난임을 겪고 있으며, 여성 난임 사례의 11~67%가 나팔관 폐쇄로 인한 것이다. 전통적인 치료법은 카테터와 유도 와이어를 사용해 나팔관을 뚫는 방식이지만, 이러한 절차는 환자의 몸에 기기를 삽입해야 하며 침습적이고 불편함을 유발할 수 있다. 이에 연구팀은 기존 수술법보다 덜 침습적인 대안을 개발하고자 했다. 연구팀이 개발한 마이크로 로봇은 비자성 감광성 수지로 제작된 후, 표면에 얇은 철층을 입혀 자성을 부여했다. 로봇은 자기장에 반응해 회전하며, 이를 통해 나팔관을 모사한 유리 채널을 통과한다. 실험 결과 이 로봇은 여성 생식 기관에서 발생하는 막힘을 모방한 세포 덩어리를 성공적으로 제거했다. 자성 마이크로 로봇은 섬세하고 좁은 나팔관 구조를 정확하게 통과하며, 정확한 내비게이션이 가능함을 입증했다. 로봇이 회전하는 동안 소용돌이장을 형성해 막힌 찌꺼기를 뒤쪽으로 밀어내며 막힘을 효과적으로 제거한다. 이 같은 특별한 움직임과 설계는 나팔관 내 장애물을 효율적이고 정밀하게 제거하는 데 기여한다. 마이크로 로봇, 다양한 실험 통해 효과 입증 연구팀은 다양한 실험을 통해 시스템의 유효성을 입증했다. 회전하는 로봇 나사가 장벽에 쌓인 찌꺼기를 밀어내며, 시뮬레이션된 나팔관 막힘을 효과적으로 제거하는 모습을 보였다. 팀은 향후 더 정교하고 소형화된 로봇을 개발할 계획이며, 실제 장기 모델에서의 테스트와 실시간 위치 추적을 위한 생체 내 이미징 시스템 통합을 목표로 하고 있다. SIAT 염구팀의 하이펑 쉬(Xu Haifeng)는 "이번 기술은 기존의 카테터와 유도 와이어를 이용한 수술 방식부다 덜 침습적인 대안이 될 수 있다"며 "환자의 부담을 덜고 치료효과를 높이는 데 기여할 것"이라고 밝혔다. 연구팀은 자동 제어 시스템을 개발해 막힘 제거의 효율성을 높이고, 수술 등 다양한 의료 분야에 이 기술을 확대 적용할 계획이다. 쉬 박사는 "궁극적으로 난임을 겪는 환자들에게 더 효과적이고 최소 침습적인 솔루션을 제공하는 것이 목표"라고 덧붙였다. 이번 연구 결과는 학술지 'AIP 어드밴시스(AIP Advances)'에 게재됐다.
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[신소재 신기술(142)] 난임 치료의 혁신-나팔관 막힘 제거하는 '자성 로봇 나사' 개발
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[윌로우 양자 혁명의 시작(7·끝)] 윌로우, 양자 도약과 인류의 미래⋯기술 철학의 새로운 미래를 열다
- 양자 컴퓨터는 이제 공상 과학이 아닌 현실이다. 구글이 개발한 양자 컴퓨팅 칩 '윌로우(Willow)'는 계산 능력의 한계를 넘어 새로운 가능성의 문을 열었다. 하지만 기술의 발전은 단순히 효율성과 성능의 문제로 끝나지 않는다. 윌로우는 인간의 윤리와 사회적 책임, 기술과 철학의 경계선에서 중요한 질문을 던지고 있다. 이번 회에서는 윌로우가 인류의 미래에 제시하는 철학적·사회적 의미를 탐구하며, 기술의 진정한 의미를 되짚어본다. [편집자 주] 자연의 언어를 읽다…양자역학의 운영체제 양자 컴퓨팅은 자연의 언어, 즉 양자역학을 기반으로 작동한다. 고전 컴퓨터가 0과 1의 이진법으로 정보를 처리한다면, 양자 컴퓨터는 중첩(superposition)과 얽힘(entanglement)을 활용하여 훨씬 더 많은 정보를 동시에 처리할 수 있다. 윌로우는 오늘날 가장 빠른 슈퍼컴퓨터 중 하나가 10의 25제곱년 걸리는 계산을 5분 이내에 수행했다. 10의 25제곱년은 글로 표현하면 10,000,000,000,000,000,000,000,000년이다. 이 엄청난 숫자는 물리학에서 알려진 시간 척도를 넘어 우주의 나이를 크게 넘어선다. 이처럼 윌로우는 인간이 과거에는 상상조차 하지 못했던 문제를 해결할 수 있는 능력을 제공하지만 이와 동시에 윤리적 문제를 동반한다. 양자 컴퓨터가 기존 암호학 기술을 무력화하는 것처럼, 윌로우의 기술은 오용될 경우 사회적 갈등을 유발하거나 개인의 프라이버시를 침해할 가능성이 있다. 양자 컴퓨터는 RSA, ECC와 같은 기존 암호 체계를 빠르게 해독할 수 있다. 이로 인해 양자 내성 암호(Quantum-Resistant Crystography) 개발이 중요해 지고 있다. 아울러 양자 컴퓨팅 기술과 함께 양자 암호학(QKD)을 활용해 해킹에 강한 통신 네트워크 구축이 가능하다. 이처 양자 기술의 발전에는 책임감 있는 사용과 윤리적 가이드라인이 필수적이다. 기술의 목적이 무엇인지, 그리고 이를 통해 어떤 가치를 실현할 것인지에 대한 사회적 논의가 필요하다. 신약 개발 등 첨단 기술 앞당겨 양자 컴퓨터는 분자의 복잡한 상호작용을 시뮬레이션할 수 있어 신약 개발 시간을 단축하고 성공률을 높일 수 있다. 아울러 방대한 유전체 데이터를 효율적으로 분석하여 맞춤형 치료제 개발에 기여할 수 있다. 양자 시뮬레이션을 통해 신소재 개발에 기여할 수 있다. 예를 들어 초전도체나 고성능 배터리 소재 등 새로운 물질의 특성을 정확히 예측하고 최적화된 재료를 설계할 수 있다. 양자 컴퓨터는 기존의 머신러닝 알고리즘보다 더 빠르고 효율적으로 대규모 데이터를 설계할 수 있다. 그로 인해 데이터 분류, 클러스터링, 강화 학습 등에서 혁신적인 성능을 발휘할 수 있다. 금융 시장에서 복잡한 위험 요소를 더 정밀하게 분석해 투자 전략을 최적화할 수 있다. 양자 알고리즘을 활용해 금융 데이터의 패턴을 더 정교하게 분석하고 시장 예측력을 높일 수 있다. 아울러 기후 변화의 다양한 변수를 빠르게 분석해 더 정교한 모델을 제공할 수 있다. 국방 및 안보 분야에서 방대한 정보를 빠르게 분석해 전략적 의사 결정을 할 수 있다. 기존 레이더보다 월씬 더 정교하고 감지 능력이 뛰어난 시스템 개발이 가능하다. 그밖에 우주선의 최적 항로를 계산해 연료를 절약하고 탐사 효율을 극대화하며, 복잡한 천체 물리학 문제를 더 정확하게 해결할 수 있다. 이처럼 양자 컴퓨팅은 현재 초기 단계에 있지만 앞으로 기술이 성숙함에 따라 더 다양한 산업에서 응용될 가능성이 크다. 협력과 공유 통한 기술의 민주화 구글 퀀텀 AI는 윌로우의 기술을 독점하지 않고, 오픈소스 소프트웨어와 교육 자료를 통해 전 세계 연구자들과 공유하고 있다. 이러한 협력적 접근은 양자 컴퓨팅 생태계를 확장하고, 기술 발전의 혜택을 전 세계적으로 분배하는 데 기여한다. 이는 기술 민주화의 본보기가 될 수 있으며, 기술 발전이 일부 계층이나 국가에만 국한되지 않도록 하는 중요한 사례로 평가받고 있다. 기술과 철학, 새로운 질문을 던지다 윌로우는 단순히 계산 속도를 높이는 도구가 아니라, 인간 존재와 기술의 관계에 대한 새로운 질문을 던진다. 기술이 인간의 한계를 초월할 때, 우리는 무엇을 추구해야 할까? 기술 발전이 인류의 이익을 넘어선 순간, 우리는 어떤 선택을 해야 할까? 이러한 질문은 단지 과학자나 기술 전문가들만의 것이 아니다. 사회 전체가 윌로우와 같은 기술이 가져올 변화를 논의하고, 이를 바람직한 방향으로 이끌어야 한다. 미래를 여는 윌로우, 새로운 시작의 문을 열다 윌로우는 단순한 양자 컴퓨팅 칩이 아니다. 이는 기술과 윤리, 사회적 책임과 인간의 한계를 넘어 새로운 미래를 열어가는 첫걸음이다. 의약품 개발, 기후 변화 대응, 에너지 혁신 등 다양한 분야에서 윌로우는 인류가 직면한 난제를 해결할 수 있는 도구로 자리잡고 있다. 하지만 그와 동시에 윌로우는 우리에게 기술의 본질과 목표에 대해 다시금 생각해보게 만든다. 양자 컴퓨팅은 이제 막 시작됐다. 그리고 그 여정은 인간의 창의성과 협력을 바탕으로 계속 이어질 것이다. <윌로우, 양자 혁명의 시작> 시리즈는 양자 컴퓨팅 기술의 선두 주자인 윌로우를 통해, 기술이 인간과 사회에 미치는 영향과 가능성을 탐구하는 여정을 담아냈다. 구글의 윌로우가 열어갈 새로운 세계는 단순히 기술 혁신을 넘어, 인간 존재의 의미와 미래를 재정의하는 데 기여할 것이다. 이제 윌로우는 우리 모두에게 새로운 가능성의 문을 활짝 열어 보이고 있다.
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- IT/바이오
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[윌로우 양자 혁명의 시작(7·끝)] 윌로우, 양자 도약과 인류의 미래⋯기술 철학의 새로운 미래를 열다
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[신소재 신기술(141)] 칼텍, 인체 내 특정 부위에 치료 약물 전달하는 구형 마이크로 로봇 개발
- 미국 캘리포니아 공과대학교(칼텍·Caltech) 과학자들이 생체적합형 미세 하이브리드 마이크로 로봇을 개발해, 치료용 약물을 원하는 신체 부위에 주입하는 데 성공했다. 미래에는 치료용 약물을 체내 필요한 곳에 정확히 전달하는 것이 소형 로봇의 과제가 될 것이다. 금속 휴머노이드 로봇이나 생체를 모방한 로봇이 아니라 눈에 보이지 않을 정도로 작은 거품과 같은 구체가 될 것이다. 체내 실핏줄을 따라 이동해야 할 것이기 때문이다. 이러한 로봇의 개발은 까다롭다. 위산과 같은 체액으로부터 생존해야 하고 외부에서 제어가 가능해야 한다. 그래야 정확하게 목표 부위로 향할 수 있다. 또 목표에 도달했을 때만 치료제를 방출해야 하며, 그 후에는 인체에 해를 끼치지 않고 신체 내에서 흡수되어야 한다. 이런 모든 요건을 충족하는 마이크로 로봇이 칼텍(Caltech) 연구팀에 의해 개발되었다고 칼텍이 공식 홈페이지를 통해 밝혔다. 연구팀은 로봇을 사용해 쥐의 방광에 발생한 종양의 크기를 줄이는 치료제를 성공적으로 전달했다. 관련 논문은 사이언스 로보틱스(Science Robotics) 저널에 게재됐다. 연구팀이 개발한 로봇은 '생체흡수성 음향 마이크로 로봇(BAM)'이라고 명명됐다. 연구팀의 레이 가오 박사는 "약물을 신체에 주입하면 신체 모든 곳으로 확산된다. 우리가 개발한 마이크로 로봇은 종양 등 치료 대상 부위로 직접 안내해 통제되고 효율적인 방식으로 약물을 방출할 수 있다"고 말했다. 마이크로 또는 나노 로봇 개념은 새로운 것은 아니다. 전문가들은 지난 20년 동안 마이크로 로봇을 개발해 왔다. 그러나 혈액, 소변 또는 타액과 같은 복합적인 생체 유체에서 로봇을 정밀하게 움직이는 것은 매우 어렵기 때문에 생물 대상 적용은 제한적이었다. 특히 생체적합성 및 생체흡수성으로 신체에 독성 물질을 남기지 않아야 하는데, 이 역시 난제였다. 칼텍에서 개발한 마이크로 로봇은 폴리에틸렌 글리콜 디아크릴레이트라는 하이드로겔로 만들어진 미세한 구체다. 하이드로겔은 액체 또는 수지 형태로 시작해 내부에 있는 폴리머 네트워크가 굳어지면 고체가 되는 재료이다. 이러한 특성으로 하이드로겔은 다량의 액체를 유지할 수 있고, 많은 하이드로겔이 생체적합성을 갖는다. 또한 적층 제조 방법을 통해 구체의 외부에 치료용 약물을 탑재, 신체 내 목표 부위로 운반할 수 있다. 하이드로겔 레시피를 만들기 위해 연구팀의 일원이었던 줄리아 그리어는 '2광자 중합(TPP) 리소그래피'라는 기술을 활용, 3D 프린팅을 연상시키는 방식으로 복잡한 형태의 구조를 층층이 쌓아 올려 완성했다. 이 기술은 적외선 레이저 펄스를 사용해 특정 패턴에 따라 매우 정밀한 방식으로 감광성 폴리머를 가교시키는 기술이다. 그리어 팀은 직경 30마이크론의 미세 구조를 인쇄하는 데 성공했다. 이는 사람의 머리카락 직경과 비슷하다. 최종적으로 마이크로 로봇은 구체의 바깥쪽 내부에 자성 나노 입자와 치료 약물을 넣었다. 자성 나노 입자는 외부에서의 통제를 위한 것으로, 외부 자기장을 사용해 로봇을 원하는 위치로 안내할 수 있게 한다. 로봇이 목표 부위에 도달하면 그 자리에 머무르고 약물을 주입하게 된다. 연구팀은 마이크로 로봇의 외부를 친수성으로 설계해 구형 로봇이 신체를 통과할 때 뭉치지 않도록 했다. 그러나 마이크로 로봇의 내부는 기포를 가두어야 하기 때문에 친수성이어서는 안 된다. 그렇지 않으면 기포는 쉽게 붕괴되거나 용해된다. 가두어진 기포는 로봇을 이동시키고 실시간 이미징으로 추적하기 위해 중요하다. 외부는 친수성이고 내부는 소수성, 즉 물에 대한 저항성을 모두 갖춘 하이브리드 마이크로 로봇을 만들기 위해 연구팀은 2단계 화학적 변형을 고안했다. 먼저, 하이드로겔에 긴 사슬 탄소 분자를 부착해 전체 구조를 소수성으로 만들었다. 그런 다음 산소 플라즈마 에칭 기술을 사용해 외부의 긴 사슬 탄소 구조 일부를 제거함으로써 외부는 친수성으로, 내부는 소수성으로 남겼다. 이것이 이번 연구 프로젝트의 핵심 혁신이었다. 가오는 "내부는 소수성이고 외부는 친수성인 비대칭 표면 변형을 통해 소변이나 혈청과 같은 생체 유체에 장시간 기포를 가둘 수 있게 됐다“고 설명했다. 구형 마이크로 로봇 안에 있는 기포는 초음파 영상 대조제 역할을 한다. 기포를 통해 생체 내에서 움직이는 로봇을 실시간으로 모니터링할 수 있다. 연구팀은 마이크로 로봇이 목표 지점으로 이동하는 것을 추적하는 방법도 개발했다. 연구의 마지막 단계는 방광 부위에 종양이 있는 쥐에 대한 테스트였다. 연구팀은 21일 동안 마이크로 로봇을 통해 네 차례 치료제를 전달했다. 그 결과 로봇이 전달하지 않은 치료제보다 종양을 줄이는 데 더 효과적이라는 사실이 규명됐다. 연구팀은 이번 개발 결과는 환자에 대한 약물 전달 및 정밀 수술을 위한 매우 유망한 플랫폼이 될 것이라고 자평하고 사람에 대한 임상 실험을 거쳐 상용화가 필요하다고 주장했다.
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[신소재 신기술(141)] 칼텍, 인체 내 특정 부위에 치료 약물 전달하는 구형 마이크로 로봇 개발
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[신소재 신기술(140)] 일본 연구진, 햇빛·물로 수소 연료생산하는 새로운 개념 반응기 시연
- 일본 연구진이 햇빛과 물을 이용해 재생 가능한 수소 연료를 생산할 수 있는 새로운 개념 증명 반응기를 시연했다. 특수 광촉매를 이용하는 이 기술은 저렴하고 풍부하며 지속 가능한 수소 연료 생산에 기여할 것으로 기대된다고 라이브사이언스, 인터레스팅엔지니어링등 다수 외신이 전했다. 현재 수소는 대부분 천연 가스에서 추출되기 때문에 화석 연료 의존도를 낮추는 데 한계가 있다. 하지만 이번에 개발된 기술은 햇빛을 이용해 수소를 생산할 수 있어, 향후 수소 에너지 시대를 앞당기는 데 중요한 역할을 할 것으로 전망된다. 새로운 100㎡(1076제곱피트) 규모의 반응기는 광촉매 시트를 사용하여 물 분자에 있는 산소와 수소 원자를 분리하고, 이를 통해 수소를 추출해 연료로 사용한다. 신슈대학교의 카즈나리 도멘 교수 연구팀은 이번 연구 결과를 국제 학술지 '프론티어스 인 사이언스'에 발표했다. 도멘 교수는 "광촉매를 이용한 햇빛 기반 물 분해는 태양 에너지를 화학 에너지로 변환하고 저장하는 이상적인 기술"이라며 "최근 광촉매 소재 및 시스템의 발전으로 실현 가능성이 높아졌지만, 여전히 많은 과제가 남아 있다"고 밝혔다. 이 기술의 핵심 원리는 물을 산소와 수소로 분해하는 것이다. 간단해보이지만 이는 에너지 집약적인 과정이며, 특수광촉매가 필요하다. 광촉매는 빛에 노출되면 물을 구성 요소로 분해하는 화학 반응을 촉진한다. 이러한 개념은 새로운 것이 아니지만 기존의 '1단계' 광촉매는 효율이 낮고 태양 에너지-수소 전환율이 미미했다. 연구팀은 '2단계'로 구성된 더 효율적인 물 분해 과정을 선택했다. 이 시스템에는 하나의 광촉매가 첫단계에서는 물에서 산소를 분리하고 다음 단계에서는 수소를 제거한다. 팀은 이 과정을 위한 광촉매를 개발함으로써 3년 동안 작동한 시제품 반응기를 제작할 수 있었고, 연구실에서 사용하는 자외선보다 실제 햇빛을 사용했을 때 더 잘 작동하는 것을 확인했다. 연구팀의 하사토미 타카시 박사는 "태양 에너지 변환 기술은 밤이나 악천후에서는 작동할 수 없지만, 햇빛 에너지를 연료의 화학 에너지로 저장하면 언제 어디서근 사용할 수 있다"고 설명했다. 팀은 100㎡ 규모의 반응기를 3년간 운영해 개념 증명에 성공했다. 이 반응기는 실제 햇빛에서 실험실 조건보다 더 나은 성능을 보였다. 하사토미 박사는 "자외선에서 반응하는 광촉매를 사용하는 우리 시스템에서 태양 에너지 변환 효율은 자연광에서 약 1.5배 높았다"고 설명했다. 그러나 현재 시뮬레이션된 햇빛에서의 효율은 최대 1%이며 자연광에서는 5% 효율에 도달하지 못하는 한계가 있었다. 연구팀은 5% 효율 장벽을 깨기 위해 더 많은 연구자들이 더 효율적인 광촉매를 개발하고 더 큰 실험 반응기를 구축해야 한다고 강조했다. 아직 초기 단계인 이 기술이 상용화되면 수소 에너지 생산 비용을 낮추고, 친환경 에너지 구축에 크게 기여할 것으로 예상된다.
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[신소재 신기술(140)] 일본 연구진, 햇빛·물로 수소 연료생산하는 새로운 개념 반응기 시연
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[신소재 신기술(139)] 중국, 소행성 탐사용 고양이 닮은 4족 로봇 개 개발
- 중국 연구원들이 소행성의 울퉁불퉁하고 중력이 낮은 표면을 뛰어넘을 수 있는 인공지능(AI) 기반 로봇 개를 제작했다. 하얼빈 공업대학 연구진은 고양이가 몸을 비틀고 발로 착지하는 능력에 영감을 받아 강화 학습을 이용한 소행성 탐사용 4족 로봇 개를 개발했다고 인터레스팅엔지니어링이 보도했다. 중국의 한 온라인 매체에 따르면 이 로봇은 네 다리를 무거운 안정화 하드웨어에 의존하는 대신 '모델 없는' 제어 시스템을 사용해 동작을 조정한다. 이러한 설계 덕분에 로봇은 공중에서 자세를 조정하고 기울기를 수정하며 방향을 바꿀 수 있다. 이는 작은 천체를 탐사하는 방식을 변화시켜 우주 탐사의 새로운 가능성을 제시하고 멀리 떨어진 천체에 대한 이해를 높일 수 있다. 저중력 혁신 저중력은 현재 연구중인 소행성 탐사에서 로봇이 해결해야 할 중요한 난제다. 태양계 생성의 유물인 이 행성들은 백금과 같은 자원이 풍부해 미래 우주 연구에 도움이 될 수 있다. 또한 태양계의 기원에 대한 중요한 통찰력을 제공할 수 있다. 그러나 기존의 바퀴 달린 탐사선은 중력이 지구의 수천 분의 1에 불과해 견인력을 얻기 어렵기 때문에 큰 어려움에 직면해 있다. 연구팀은 충돌, 제어할 수 없는 회전 또는 로봇이 땅에서 튕겨져 나갈 수 있는 다리 힘의 불균형 문제를 해결하는 데 집중했다. 에어 서스펜션 기술을 사용하여 미세중력 시뮬레이션 플랫폼을 개발하여 제어 기술을 테스트하고 로봇이 안전하게 착륙하고, 후속 도약을 위해 요(yaw)를 수정하거나 자유 낙하 중 고도 편차를 수정할 수 있는지 확인했다. 그동안 우주 기관이 소행성에 우주선을 착륙시켜 샘플을 채취하는 데 성공한 적은 있지만, 장기적으로 표면 탐사를 수행할 수 있는 탐사선을 보낸 임무는 아직 없다. 홍콩 매체 사우스차이나모닝포스트(SCMP)에 따르면 이 점핑 로봇의 성공은 소행성 탐사를 변화시켜 소멸 소행성에 대한 새로운 연구의 길을 열고 우주 자원 활용을 개선할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 점프 안정화 연구팀은 중력이 낮은 천체에서 점프하는 동안 스스로 안정화할 수 있는 로봇을 개발했다. 이러한 환경에서는 점프할 때마다 로봇이 최대 10초 동안 공중에 떠 있는 상태가 유지되는 데, 이는 다리 힘의 불균형으로 인해 로봇이 제어되지 않고 회전하거나 심지어 우주로 표류하고도 남는 시간이다. 이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 강화 학습, 특히 근거리 정책 최적화를 사용해 가상 시뮬레이션에서 로봇을 훈련시켰다. 7시간에 걸쳐 AI는 안정적인 착륙을 위해 움직임을 개선하고 몇 초 내에 피치(pitch), 롤(roll), 요(yaw)를 수정하는 방법을 학습했다. 예를 들어 140도의 가파른 전방 기울기로 발사했을 때 로봇은 단 8초만에 안정화되었고, 공중에서는 최대 90도까지 회전해 방향을 바꿀 수 있었다. 저중력을 이겨내고 점프 동작을 안정화시킨 중국의 로봇 개가 소행성 탐사 현장에 언제 투입될지 귀추가 주목된다.
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[신소재 신기술(139)] 중국, 소행성 탐사용 고양이 닮은 4족 로봇 개 개발
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[신소재 신기술(138)] 세포가 쓴 일기, 이젠 읽을 수 있다!
- 과학자들이 세포가 스스로 역사를 기록할 수있도록 돕는 혁신적인 기술인 'DNA 타자기'를 개발했다고 뉴욕타임스가 지난 25일(현지시간) 보도했다. 이 기술은 세포가 자신의 DNA에 정보를 기록하는 방식으로, 세포 분열과 환경 변화 등 다양한 생물학적 사건을 추적할 수 있는 방법을 제시한다. 스위스 바젤 대학교의 알렉스 시어 박사는 "이 기술은 발달생물학자들이 오랫동안 꿈꿔온 도구"라며, "세포 분열뿐만 아니라 환경 변화나 단백질 생성 등 중요한 생물학적 이벤트까지 기록할 수 있다"고 밝혔다. DNA 타자기란? DNA 타자기는 세포가 자신의 DNA에 일종의 '기록'을 남길 수 있도록 고안된 기술이다. 이는 DNA 편집 기술인 CRISPER(크리스퍼)를 기반으로 개발됐다. CRISPER은 DNA의 특정 부위를 절단하거나 삽입할 수 있는 유전자 가위 기술로, 이를 활용해 세포가 다양한 생물학적 정보를 스스로 추가하며 자신의 '역사'를 저장할 수 있도록 만든 것이다. 다시 말해 이 기술은 세포 내부의 DNA를 메모장처럼 사용한다고 보면 된다. 세포는 자신의 생애 동안 경험한 일을 이 메모장에 적어두고, 후손 세포에도 이를 전달한다. 마치 세포가 스스로 일기를 쓰는 것과 비슷한다. 현재 연구팀은 실험 단계로, 쥐의 세포에 DNA 타자 기술을 적용 중인 것으로 알려졌다. 이 기술이 성공하면, 모든 세포가 수정란 단계에서부터 분열과 경험의 기록을 보유하는 '기록 쥐'가 탄생할 전망이다. 연구를 주도한 미국 워싱턴대학교의 제이 쉔듀어 박사는 이를 "생물학을 시간의 관점에서 이해하는 새로운 패러다임"이라고 설명하며, "이 기록으로 질병의 초기 징후를 발견하거나 환경적 요인을 분석할 수 있다"고 기대했다. [미니해설] 세포를 스스로의 역사가로 만드는 기술 'DNA 타자기' 수정란이 두 개로, 네 개로 분열하며 형성된 인체의 36조 개 세포는 각각의 독특한 궤적을 지닌다. 하지만 과학자들은 그 과정을 전체적으로 추적하는 데 어려움을 겪어왔다. 스냅샷처럼 특정 시점의 세포만을 관찰하는 것이 한계였기 때문이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 등장한 것이 'DNA 타자기'다. 이 기술은 세포가 DNA에 유전적 흔적을 남겨 스스로의 역사를 기록하도록 설계됐다. 쉔듀어 박사는 이를 "완전히 새로운 생물학 측정 방식"이라며 "세포 분열뿐만 아니라 특정 단백질 생성이나 바이러스 감염 같은 사건도 기록할 수 있다"고 설명했다. 기술 개발의 배경 DNA 타자기는 DNA 편집 기술인 CRISPER에서 출발했다. CRISPER은 세포 유전체의 특정 지점을 찾아 DNA를 잘라내거나 삽입할 수 있는 기술이다. 쉔듀어 박사는 이를 활용해 제브라피쉬 세포를 변형, 유전체의 여러 지점을 편집할 수 있게 했다. 이 과정에서 세포는 무작위로 특정 부위를 수정하며 이를 후대 세포로 전달했다. 연구팀이 DNA를 분석한 결과, 비슷한 바코드를 지닌 세포들은 동일한 계보임을 나타냈다. 예를 들어 물고기의 혈액세포는 단 5개의 전구체 세포에서 유래한 것으로 밝혀졌다. 시어 박사는 "이 기술을 통해 심장을 만드는 방법처럼 발달의 규칙성을 밝혀낼 수 있기를 바란다"고 말했다. 응용 가능성과 미래 이 기술은 실험실 밖에서도 응용 가능성을 보이고 있다. 미래에는 '감시자 세포'를 인체에 주입해 질병의 초기 징후는 추적하거나 환경 독소의 영향을 분석할 수 있을 것으로 기대된다. 시어 박사는 "지금 몸 상태가 이상하다면 3개월 전에 감염이 있었는지, 7개월 전에 중독이 있었는지를 알 수 있다"고 말했다. 현재 캘리포니아 공과대학교 연구팀은 세포가 유전적 정보를 빛으로 표시하도록 설계해 세포를 파괴하지 않고도 기록을 확인할 수 있는 방법을 개발 중이다. 또한 쉔듀어 박사 연구팀은 세포가 DNA 흔적을 추가적으로 남길 수 있는 'DNA 타자기'를 이용해 쥐의 모든 세포가 분열과 경험의 기록을 보유한 '기록 쥐'를 개발하고 있다. 이 기술이 상용화되면 인체 발달 과정의 규칙성뿐만 아니라 암이나 퇴행성 질환 같은 병리학적 변화를 초기에 발견할 수 있을 것으로 기대된다. "저는 이 기술에 모든 것을 걸었다." 쉔두어 박사의 이 한마디는 DNA 타자기 기술이 생물학의 새로운 지평을 열 것이라는 확신을 담고 있다.
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[신소재 신기술(138)] 세포가 쓴 일기, 이젠 읽을 수 있다!
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[신소재 신기술(137)] 혈액으로 만든 맞춤형 3D 프린팅 임플란트, 재생 의료의 새 지평 열까
- 영국에서 자신의 혈액을 사용해서 재생 치유 능력을 60% 이상 높인 3D 프린팅 임플란트가 개발됐다. 우리 몸의 면역 체계는 재생 혈종(RH)을 조절하여 작은 파열이나 골절을 효과적으로 치료하는 능력을 가지고 있다. RH는 다양한 분자 및 세포 과정을 조율하는 복잡하고 역동적인 환경으로 완전한 조직 복구를 보장한다. 최근 영국 노팅엄 대학교 약학 및 화학 공학 연구팀은 이러한 자연 치유 과정을 활용하여 개인 맞춤형 재생 소재를 만드는 '생체협력적' 접근법을 제시했다. 혈액을 기반으로 하는 이 기술은 부상 및 질병 치료에 효과적인 맞춤형 재생 혈액 제품 개발로 이어질 수 있다. 해당 논문에 대해서는 테크 익스플로리스트와 뉴아틀라스 등 다수 외신이 보도했다. 연구팀은 자연 조직 치유에 관여하는 필수 과정을 유도하는 펩타이드 분자 조직을 사용해 조직 재생을 촉진하는 생체 소재를 개발했다. 대부분의 신체 조직은 복잡한 치유 과정을 통해 작은 파열이나 골절을 효율적으로 재생시킬 수 있다. 초기 단계에서는 액체 혈액이 고체 RH를 형성하는 데, 이는 재생에 필수적인 세포, 거대 분자와 요소를 포함하는 살아 있는 미세 환경이라 할 수 있다. 팀은 합성 펩타이드와 환자의 혈액을 결합하는 자가 조립 기술을 개발해 자연 치유 과정의 핵심 분자, 세포 및 메커니즘을 포착하는 소재를 만들었다. 이를 통해 RH를 모방하고 구조적 및 기능적 특성을 향상시키는 재생 소재를 제작할 수 있었다. 이러한 소재는 정상적인 혈소판 행동, 성장 인자 생성, 치유에 필수적인 세포 모집 등 RH의 자연적 기능을 유지하면서 쉽게 조립하고 조작 및 3D 프린팅이 가능하다. 연구팀은 이 방법을 사용해 동물 모델에서 동물 자신의 혈액을 활용하여 뼈를 성공적으로 복구하는 것을 입증했다. 팀은 두개골에서 뼈 일부를 수술로 제거한 쥐를 대상으로 실험을 진행했다. 쥐의 혈액에서 새로운 RH 구조물을 배양해 제거된 두개골 뼈 틈새에 이식한 결과, 부상 부위가 재생의 징후를 보였다. 6주 후 새로운 RH 구조물이 투입된 쥐는 새로운 뼈가 최대 62% 생성됐다. 반면, 시중에서 판매되는 뼈 대체물을 사용한 쥐는 50%가 재생됐다. 아무 것도 처리하지 않은 대조군 쥐는 뼈가 30%만 재생되는 데 그쳤다. 알바로 마타 노팅엄 대학교 생체 의학 공학 및 생체 재료 교수는 "수년 동안 과학자들은 자연 재생 환경을 재현하기 위한 합성적 접근 방식을 연구해 왔지만, 고유한 복잡성으로 인해 어려움을 겪었다"며 "이번 연구에서는 재생 환경을 재현하는 대신 생물학적 시스템과 협력하는 방식을 택했다"고 설명했다. 코시모 리고리오 공학부 박사는 "사람들의 혈액을 고도로 재생 가능한 임플란트로 쉽고 안전하게 바꿀 수 있는 가능성은 매우 흥미롭다"며 "혈액은 사실상 무료이며 환자로부터 비교적 많은 양을 쉽게 얻을 수 있다. 우리의 목표는 환자의 혈액을 풍부하고 접근 가능하며 조정 가능한 재생 임플란트로 빠르고 안전하게 변화하기 위해 임상 환경에서 쉽게 접근하고 사용할 수 있는 도구 키트를 구축하는 것이다"라고 밝혔다. 이 연구는 어드밴스트 머티리얼(Advanced Materials) 저널에 게재됐다.
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- IT/바이오
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[신소재 신기술(137)] 혈액으로 만든 맞춤형 3D 프린팅 임플란트, 재생 의료의 새 지평 열까
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[신소재 신기술(136)] 나노파스타, 상처 드레싱의 새로운 혁명…초박막 기술로 치유 잠재력
- 유니버시티 칼리지 런던(ULC: University College London)의 화학자 팀이 일반 밀가루, 액체, 그리고 청색광 파장보다 좁은 372나노미터 폭에 불과한 가닥을 만들 수 있는 전기 충전 장비를 이용, 세계에서 가장 얇은 스파게티를 만들었다고 ULC가 공식 홈페이지를 통해 전했다. 만들어진 스파게티는 소위 나노파스타로서, 너무 가늘기 때문에 전자 현미경으로만 볼 수 있다고 한다. 전분으로 만들어졌지만 너무 가늘어 식재료로 사용될 수는 없고, 의학 등 다른 용도로 활용이 기대된다. 이 연구는 나노스케일 어드밴시스 저널에 발표됐다. 게시글에 따르면, ULC 화학자 팀은 나노파스타를 사용해 2cm 폭의 매트를 만들었다. 매트는 당연히 육안으로 보이지만, 매트를 구성하고 있는 개별 섬유는 보이지 않는다. 밀가루와 액체 포름산은 '전기 방사'라는 기술을 사용해 방적됐다. 생 파스타 혼합물은 전하로 바늘 끝을 통해 당겨져 머리카락보다 200배 더 얇은 스파게티를 형성했다. 연구를 주도한 애덤 클랜시 박사는 게시글에서 "스파게티는 물과 밀가루 혼합물을 금속 구멍에 밀어 넣어 만들어진다. 연구팀도 같은 방법을 사용했지만, 전하로 밀가루 혼합물을 끌어당겼다는 점이 다르다. 같은 스파게티지만 이것이 훨씬 가늘다"라고 말했다. 개발된 스파게티는 세계에서 가장 얇다. 지금까지 개발된 두 번째로 얇은 것은 너비가 400마이크론으로 이번에 개발된 것보다 약 1000배 더 굵으며, 이는 기계로 만들어지지 않았다. 수 필린데우(Su filindeu: 신의 실을 의미하거나 아랍어로 머리카락을 의미하는 단어에서 유래했을 수 있음)라는 이름의 스파게티는 사르데냐의 누오로 시에서 약 10명의 여성이 직접 만들었다. 연구팀의 개러스 윌리엄스 교수는 "개발된 스파게티는 안타깝게도 파스타(스파게티를 포함한 면요리 통칭)로는 유용하지 않다. 팬에 넣으면 1초도 채 걸리지 않아 너무 익는다"고 말했다. 그렇다면 이 얇은 스파게티 기술을 어디에 쓸 수 있을가. 연구팀이 제안하는 것은 의학 분야다. 당연히 연구팀도 새로운 파스타를 개발하려고 한 것이 니었다. 연구팀은 개발된 전분 나노실, 즉 나노파스타를 다른 기술 응용 분야에 활용할 계획이며, 그중 몇몇은 의료계에서 사용될 것을 기대하고 있다. 윌리엄스는 "전분으로 만든 나노섬유는 다공성이기 때문에 상처 드레싱에 사용할 수 있는 잠재력을 갖고 있다. 또 세포 조직을 재생하기 위한 지지대로 활용하는 연구가 활발하다"고 설명했다. 클랜시도 "전분은 풍부하고 재생 가능하기 때문에 유망한 활용 소재다. 셀룰로스에 이어 지구상에서 두 번째로 큰 바이오매스 공급원이며 생분해성이 있어 체내에서 분해될 수 있다"고 덧붙였다. 그러나 전분을 정제하려면 많은 가공이 필요하다. 이번 연구 성과는 밀가루를 사용해 나노섬유를 만드는 더 간단한 방법이 가능하다는 것을 보여주었다. 연구팀은 다음 단계로 나노파스타의 특성을 추가 조사할 계획이다. 예를 들어, 나노파스타는 얼마나 빨리 분해되는지, 세포와 어떻게 상호 작용하는지, 그리고 대량 생산이 가능한지 등을 연구할 방침이다.
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- IT/바이오
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[신소재 신기술(136)] 나노파스타, 상처 드레싱의 새로운 혁명…초박막 기술로 치유 잠재력
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[신소재 신기술(135)] 데이터 센터 냉각 효율 획기적으로 높이는 신소재 개발
- 미국과 중국 과학자들이 공동으로 데이터 센터의 냉각 효율을 획기적으로 높일 수 있는 새로운 소재를 개발했다. 이 소재는 가정과 기업용 전자기기의 에너지 효율성을 향상시키는 데에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 현재 데이터 센터는 방대한 양의 데이터를 저장하는 하드웨어를 냉각하기 위해 대규모 냉각 시스템을 가동하고 있다. 이는 전체 에너지 사용량의 약 40배에 달하는 막대한 에너지를 소비한다. 매년 약 8테라와트시(TWh)의 에너지가 데이터 센터 냉각에 사용되는 실정이다. 8테라와트시는 엄청나게 큰 에너지 용량이다. 일반적인 가정의 월평균 전력 사용량은 약 300kwh이다. 8TWh는 약 2600만 가구가 한 달 동안 사용할 수 있는 전력량에 해당한다. 또 다른 예를 들면 2021년 기준 한국의 총발전량은 약 577TWh이다. 8TWh는 한국 전체가 약 5일 동안 사용할 수 있는 전력량이다. 미국 텍사스대학교(UT) 오스틴 캠퍼스와 중국 쓰촨대학교 공동 연구팀은 데이터 센터 냉각 효율을 높일 수 있는 새로운 유기 열계면 소재(TIM)를 개발했다고 과학 전문매체 사이언스얼라트가 보도했다. 연구팀은 TIM을 통해 데이터 센터 냉각에 필요한 에너지를 약 13% 절감할 수 있을 것으로 예상했다. 이 TIM은 전자 부품에서 발생하는 열을 히트싱크로 빠르게 전달해 공기 또는 물을 통해 열을 방출하는 효율성을 획기적으로 높인다. 연구팀은 실험실 테스트에서 TIM을 사용했을 때 기존 냉각 방식 대비 전자 부품의 온도를 낮추면서도 방열량을 2배 증가시키는 것을 확인했다. 또한, 냉각 펌프의 에너지 사용량을 65% 절감하는 효과도 입증했다. 이번 연구를 주도한 텍사스대학교 오스틴 캠퍼스의 재료과학자 구이화 유 교수는 "데이터 센터를 비롯한 대규모 전자 시스템의 냉각 인프라 전력 소비가 급증하고 있다"며 "이러한 추세는 앞으로도 계속될 것이므로 킬로와트급 이상의 고전력 장치를 효율적이고 지속 가능하게 냉각할 수 있는 새로운 방법을 개발하는 것이 중요하다"고 강조했다. 쓰촨대학교의 카이 우 교수는 "이번 연구 결과는 이론적으로 예측된 이상적인 성능에 더 가까워졌음을 의미하며, 고전력 전자 장치를 위한 보다 지속 가능한 냉각 솔루션을 가능하게 한다"고 설명했다. 연구팀은 현재 데이터 센터 사업자들과 협력하여 더 큰 시스템과 다양한 환경에서 새로운 TIM을 적용하는 연구를 진행하고 있다. 인공지능(AI) 모델의 발전과 데이터 사용량 증가로 인해 2028년 데이터 센터 전력 사용량은 2023년의 2배에 달할 것으로 예상된다. 골드만삭스의 산업 분석가들은 2080년까지 데이터 센터 전력 사용량은 160% 급증할 것으로 예측했다. 골드만삭스 분석가들은 또한 AI 애플리케이션만으로도 2023년부터 2030년까지 데이터 센터 전력 소비량이 연간 200테라와트시 증가할 것으로 추정했다. 이는 심각한 에너지 문제를 야기할 수 있으며, 과학자들은 이를 해결하기 위해 노력하고 있다. 카이 우 교수는 "이 소재는 데이터 센터에서 항공 우주에 이르기까지 에너지 집약적인 분야에서 지속 가능한 냉각을 가능하게 하여 보다 효율적이고 친환경적인 기술 개발에 기여할 것"이라고 말했다. 이번 연구 결과는 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology) 저널에 게재됐다.
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- IT/바이오
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[신소재 신기술(135)] 데이터 센터 냉각 효율 획기적으로 높이는 신소재 개발
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[신소재 신기술(134)] UC 버클리, '뜨거운 이산화탄소 가스 포집' 획기적 기술 개발
- 산업 공정에서 발생하는 뜨거운 이산화탄소를 포집할 수 있는 혁신적인 기술이 개발됐다. 시멘트나 강철을 생산하는 산업 플랜트는 강력한 온실가스인 이산화탄소를 대량으로 배출하지만, 배기가스가 너무 뜨거워 최첨단 탄소 제거 기술을 사용할 수 없다. 배기가스를 냉각하려면 많은 에너지와 물이 필요하며, 이는 일부 가장 오염이 심한 산업에서 이산화탄소 포집 기술을 도입하는 장벽으로 작용한다. 그런데 UC 버클리의 화학자 연구진이 스펀지처럼 작용해 산업 배기가스와 비슷한 높은 온도에서 이산화탄소를 포집할 수 있는 소재를 발했다. UC 버클리 공식 홈페이지에 따르면, 발견된 소재는 금속-유기 프레임워크(MOF)의 일종으로, 사이언스 저널에 게재됐다. 발전 또는 산업 플랜트 배기가스에서 탄소를 포집하는 주요 방법은 액체 아민을 사용하여 이산화탄소를 흡수하는 것이다. 그러나 이 방법은 섭씨 40~60도 사이에서만 효율적으로 작동한다. 시멘트 제조 및 제강 공장은 200도를 넘는 배기가스를 생성하고 일부 산업 배기가스는 500도에 달한다. 아민이 추가된 MOF 하위 분류를 포함해 현재 시범 운영 중인 새로운 소재는 150도 이상의 온도에서는 분해되거나 덜 효율적이다. 이렇게 뜨거운 이산화탄소를 가져와 기존의 탄소 포집 기술을 적용하려면 적절한 온도로 냉각해야 하고, 비싼 인프라가 필요하다. 이번 연구를 진행한 UC 버클리 커티스 카쉬 박사는 "우리 기술이 탄소 포집 방식을 근본적으로 바꿀 수 있을 것"이라며 "개발된 MOF가 전례 없이 높은 온도에서 이산화탄소를 포집할 수 있다는 것이 입증됐다. 과거의 다공성 소재로는 불가능했던 것"이라고 설명했다. 아민 기반 탄소 포집에 대한 일반 연구에서 벗어나 고온에서도 작동하는 MOF의 새로운 매커니즘을 수립했다는 것이다. 개발된 소재는 다공성 결정질 금속 이온 및 유기 링커 배열을 특징으로 하며, 내부 면적은 스푼당 약 6개의 축구장 크기에 달해 이산화탄소를 흡착하기에 충분히 넓은 면적이다. 연구진은 시뮬레이션에서 새로운 MOF가 평균 20%~30%의 이산화탄소 농도를 보이는 시멘트 및 철강 제조 플랜트의 배출가스와 약 4% 농도의 이산화탄소를 포함한 천연가스 발전소의 배출가스에서 뜨거운 이산화탄소를 포집할 수 있음을 보여주었다. 포집된 이산화탄소를 지하에 저장하거나 연료 또는 기타 부가가치 화학 물질을 만드는 데 사용하는 것은 온실가스를 줄이는 핵심 전략이다. 지구 온난화와 기후 변화에 대응하는 유력한 솔루션으로 각광받고 있다. 재생 에너지 발전과 달리 화석연료를 주로 사용하는 산업 플랜트는 지속 가능성을 확보하는 것이 더욱 어렵기 때문에 이산화탄소 포집이 매우 중요하다. 아민 기반 흡착제는 수십 년 동안 탄소 포집 연구의 초점이었다. MOF는 원래 독일 아우크스부르크 대학교의 연구진이 발견했다. MOF가 이산화탄소로 채워지면 이산화탄소의 분압을 낮추어 제거하거나 탈착할 수 있다. MOF는 재사용한다. 연구진은 MOF를 변형해 다른 가스를 흡착할 수 있는지 추가 확인 작업에 나서고 있다. 이 소재가 더 많은 이산화탄소를 흡착할 수 있도록 기능 개선도 진행하고 있다.
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- 경제
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[신소재 신기술(134)] UC 버클리, '뜨거운 이산화탄소 가스 포집' 획기적 기술 개발
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[신소재 신기술(133)] 물에 녹는 바이오플라스틱 'MECHS' 개발
- 플라스틱 오염 문제가 점점 더 심각해지는 가운데, 물에 녹는 새로운 바이오플라스틱이 개발되어 주목받고 있다. 미국 노스이스턴 대학교의 아비나쉬 만줄라-바사반나(Avinash Manjula-Basavanna) 연구원과 닐 조쉬(Neel S. Joshi) 교수 연구팀은 물과 퇴비에서 빠르게 분해되는 바이오플라스틱 'MECHS'를 개발했다고 어스닷컴이 보도했다. 이번 연구 결과는 학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications) 저널에 발표됐다. 새로운 바이오플라스틱 'MECHS'의 특징 MECHS는 '퇴비화, 치유, 확장가능성을 갖춘 기계적으로 조작된 살아있는 물질(Mechanical Engineered Living Materials with Compostability, Healability, and Scalability)'의 약자이다. 이 소재는 유전자 조작된 대장균 박테리아와 섬유 매트릭스를 결합하여 종이 또는 필름 형태로 제작된다. 기존 바이오플라스틱과 달리 MECHS는 빛과 같은 외부 자극에 반응하고 자가 재생 및 조절 능력을 갖추고 있다. 또한 물과 퇴비에 빠르게 분해되어 환경 오염을 줄이는데 기여할 수 있다. 연구팀은 "MECHS는 변기에 버려도 생분해될 정도로 친환경적"이라고 설명했다. 대량 생산 가능-플라스틱 포장재 대체 기대 MECHS는 종이와 유사한 방식으로 대량 생산이 가능하며, 플라스틱 포장재를 대체할 수 있을 것으로 기대된다. 앞서 설명했듯이 기본적으로 이 제품은 유전자 조작된 대장균 박테리아가 섬유 매트릭스와 얽힌 종이 또는 필름과 같은 형태로 만들어진다. 섬유질 구조로 인해 이 바이오플라스틱은 비밀 랩처럼 늘어날 수 있고, 다양한 강성을 위해 유전적으로 조작할 수 있으며 자가 치유 능력까지 갖추었다. 만줄라-바사반나 연구원은 "플라스틱 포장재는 수명이 며칠에서 2년 정도로 짧지만, 현재 사용되는 석유화학 플라스틱은 생분해되는 데 수백 년이 걸린다"며 "MECHS는 생분해성, 수세성(침투액의 물에 의한 세척의 정도를 비교하기 위해 사용되는 척도), 기계적 조정 가능성을 갖춘 지속 가능한 대안"이라고 강조했다. 플라스틱 포장재는 현재 플라스틱 시장의 3분의 1을 차지한다. 상용화 위해 유전자 안정성 확보해야 MECHS는 혁신적인 소재지만 상용화를 위해서는 몇 가지 과제를 해결해야 한다. 먼저, 유전자 조작된 대장균 박테리아(E.coli 박테리아)의 유전적 안정성을 확보해야 한다. 또한 기존 플라스틱 산업의 전환에 따른 경제적, 물류적 문제와 대중의 인식, 규제 문제 등을 해결해야 한다. 연구팀은 MECHS를 시작으로 다양한 생분해성 소재를 개발하고 환경 보존, 의료 등 다양한 분야에 적용할 수 있을 것으로 전망했다. 이들의 연구는 생물학, 화학, 공학 분야의 협력을 통해 지속 가능한 해결책을 제시하는 모범 사례로 평가받고 있다.
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- IT/바이오
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[신소재 신기술(133)] 물에 녹는 바이오플라스틱 'MECHS' 개발
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[신소재 신기술(132)] 플라스틱 폐기물, 고부가가치 화학물질과 수소 에너지로 재활용하는 기술 개발
- 플라스틱 폐기물을 분해해 벤조산과 청정에너지인 수소로 재활용하는 기술이 개발됐다. 독일 연구팀이 가장 흔한 플라스틱 폐기물인 폴리스티렌 폐기물을 효율적으로 재활용하는 전기화학적 방법을 개발했다. 이 기술은 저렴한 철 촉매를 사용하여 폴리스티렌을 분해해 벤조산과 그 부산물로 수소를 생성하며, 태양 에너지를 사용하여 작동할 수 있는 장점이 있다고 사이테크 데일리가 보도했다. 플라스틱은 우리 생활에 필수적인 요소가 되었지만, 매립지와 자연 환경에 축적되는 막대한 양의 플라스틱 폐기물은 심각한 문제를 야기한다. 전 세계적으로 생산되는 플라스틱은 재활용율이 겨우 10% 미만에 불과하다. 2025년에는 플라스틱 폐기물이 400억톤에 이를 것으로 예상된다. 특히 포장재와 건축 자재에 널리 사용되는 폴리스티렌(PS)은 매립지에 버려지는 폐기물의 약 33%를 차지하지만, 재활용율은 1%에 불과하다. 2022년 폴리스티렌의 전 세계 생산량은 1540만톤에 달했다. 그 중에서 재활용된 폴리스티렌은 겨우 15만4000톤에 불과했다. PHYS는 캘리포니아 대학교 버클리와 캘리포니아 대학교 산타바바라의 연구자들이 수행한 '2050년까지 전 세계 플라스틱 폐기물 관리 불량과 온실 가스 배출을 줄이기 위한 경로'라는 연구를 인용해 지금처럼 경제 활동을 게속한다면 세계는 2011년부터 2050년까지 엠파이어 스테이트 빌딩 높이의 10배에 달하는 플라스틱 더미로 맨해튼을 덮을 만큼의 쓰레기를 배출할 것이라고 지적했다. 이러한 문제를 해결하기 위해 독일 괴팅겐의 프리드리히 뵐러(Friedrich Wöhler) 지속가능 화학 연구소의 루츠 아커만 교수가 이끄는 연구팀은 폴리스티렌을 효율적으로 분해하는 전기화학적 방법을 개발했다. 이 방법은 폴리스티렌을 분해하여 화학 공정의 원료로 사용할 수 있는 단량체 벤조일 생성물과 짧은 고분자 사슬을 생성하고 그 부산물로 수소를 만들어냈다. 이 기술의 핵심은 헤모글로빈과 유사한 철 포르피린 복합체인 철 기반 촉매이다. 철은 다른 촉매 활성 금속에 비해 독성이 없고 저렴하며 쉽게 구할 수 있다는 장점이 있다. 전기 촉매 반응 과정에서 철 화합물은 Ⅳ, Ⅲ, Ⅱ의 다른 산화 단계를 순환하며, 일련의 반응 단계와 중간 생성물을 거쳐 폴리스티렌의 탄소-탄소 결합을 분해한다. 주요 생성물은 벤조산과 벤즈알데히드이며, 벤조산은 향료 및 방부제 생산 등 다양한 화학 합성의 원료로 사용된다. 연구팀은 실제 플라스틱 기물을 그램 단위로 효율적으로 분해함으로써 이 새로운 전기 촉매 기술의 견고성을 입증했다. 이번 연구 결과는 독일 저명 학술지 '앙게반테 케미(Angewandte Chemie, 응용화학)'에 개재됐다.
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- IT/바이오
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[신소재 신기술(132)] 플라스틱 폐기물, 고부가가치 화학물질과 수소 에너지로 재활용하는 기술 개발
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[신소재 신기술(131)] 유전자 편집으로 더 달콤하고 큰 토마토 개발
- 중국 농업과학원 연구팀이 크리스퍼(CRISPR) 유전자 가위 기술을 이용하여 크기는 유지하면서 당도를 높인 토마토 품종 개발에 성공했다. 이는 대량 생산되는 토마토의 맛과 풍미를 향상시키는 동시에 생산 효율성을 높일 수 있는 획기적인 기술로 평가 된다. 해당 연구에 대해서는 영국 일간지 더 가디언과 홍콩 매체 사우스 차이나 모닝 포스트(SCMP), 과학전문 매체 네이처닷컴, 파퓰러사이언스 등 다수 외신이 다루었다. 크리스퍼(CRISPR)는 세균의 면역 체계에서 유래한 유전자 편집 기술이다. 쉽게 말해, 유전자의 특정 부붐을 정확하게 잘라내고 붙여 넣거나 수정할 수 있는 기술이다. 마치 워드프로세서로 문서를 편집하듯이, CRISPR를 이용하면 생명체의 유전 정보를 원하는 대로 수정할 수 있다. 연구팀은 토마토(Solanum lycopersicum)에서 당 함량을 조절하는 두 가지 유전자, SlCDPK27과 SlCDPK26을 CRISPR-Cas9 기술로 식별했다. 이 유전자들은 당(설탕) 생산에 관여하는 효소를 분해하여 토마토의 '슈가 브레이크(Sugar brake)' 역할을 한다. 연구팀은 이 두 유전자를 비활성화함으로써 일반 토마토보다 포도당과 과당 함량이 30% 높은 새로운 품종을 개발했다. 놀라운 것은 과일의 크기나 전체 수확량에는 영향을 미치지 않았다는 점이다. 슈가 브레이크(sugar brake)는 비db적인 표현으로 식물 내에서 당(설탕)의 축적을 억제하는 메커니즘을 의미한다. 마치 자동차의 브레이크가 속도를 늦추는 것처럼 슈가 브레이크는 식물 세포 내에서 당의 양이 과도하게 증가하지 않도록 조절하는 역할을 한다. CRISPR 유전자 편집 기술을 이용하여 이러한 슈가 브레이크 유전자를 비허ㅘㄹ성화하면 토마토의 당 함량을 높일 수 있다. 이번 연구 결과는 2024년 11월 13일 학술지 네이처(Nature)에 게재됐다. 연구팀은 "돌연변이 토마토의 씨앗은 개수가 적고 가볍지만 정상적인 발아를 보였다"며 "이러한 결과는 토마토의 당 축적을 조절하는 메커니즘에 대한 이해를 제공하며, 크기와 수확량을 희생하지 않고 당 함량을 높일 수 있는 가능성을 제시한다"고 밝혔다. 공동 저자인 장진저 박사는 새로운 품종의 토마토가 현재 시중에 판매되는 토마토보다 맛이 훨씬 뛰어나다고 강조했다. 그는 "현재 판매되는 토마토는 마치 물처럼 맛이 없다"며 새로운 품종의 맛에 대한 기대감을 드러냈다. 이번 연구는 단순히 맛을 개선하는 것 이상의 의미를 지닌다. 네이저치는 전 세계적으로 매년 2억500만톤의 토마토가 생산되며, 대부분 야생 조상보다 크기가 100배 이상 크다고 지적했다. 이러한 크기 증가는 수분 항량 증가로 이어져 토마토 피이스트와 같은 제품 생산에 추가적인 에너지, 비용, 시간이 소요된다. 당도가 높은 토마토는 생산 효율성을 높여 제조업체에서 더 나은 선택지를 제공할 수 있다. 더 나아가 이번에 발견된 두 유전자는 다른 많은 식물종에서도 발견되기 때문에, 이와 유사한 유전자 편집 기술을 통해 다른 농작물의 품질을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. 아울러 슈가 브레이크는 토마토뿐만 아니라 다른 식물에도 존재하는 것으로 알려져 있다. 슈가 브레이크 메커니즘을 이해하고 조절하는 것은 식물의 품질을 향상시키는 데 중요한 역할을 할 수 있다. 예를 들어 과일의 당도를 높이거나, 곡물의 저장성을 향상시키는 데 활용될 수 있다.
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- IT/바이오
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[신소재 신기술(131)] 유전자 편집으로 더 달콤하고 큰 토마토 개발
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[신소재 신기술(130)] AI 기술 접목한 로봇, 비디오만 보고 외과 수술 성공
- 인공지능(AI) 기술을 접목한 로봇 시스템이 비디오 영상을 통해 외과 수술 방법을 훈련하고, 수술을 성공적으로 수행했다. 인간 의사가 수술을 집도하려면 수년간의 집중적인 연구와 꾸준한 노력이 필요하지만, 로봇은 오늘날의 AI 기술을 통해 이를 더 쉽게 습득할 수 있을 것으로 보인다. 미국 존스홉킨스 대학(JHU)과 스탠포드 대학의 연구진이 개발한 로봇 수술 시스템은 수술 과정을 담은 비디오를 통해 훈련하는 것만으로 인간 의사만큼 능숙하게 여러 수술 작업을 수행하도록 훈련된 것이다. 연구 결과는 JHU 공식 홈페이지에 소개됐다. 게시글에 따르면 연구진은 이 연구에서 다빈치 수술 시스템을 활용했다. 이는 일반적으로 해부, 흡입, 혈관 절단 및 봉합과 같은 작업을 위한 기구를 조작하는 팔이 달린 로봇을 외과 의사가 원격으로 조작하는 시스템이다. 이 시스템은 외과의에게 훨씬 더 큰 제어력과 정밀도를 확보하고, 수술대 위의 환자를 자세히 들여다볼 수 있는 기능을 제공한다. 최신 버전의 로봇 수술 시스템 가격은 200만 달러(약 28억원) 이상으로 추정되며, 액세서리, 멸균 장비 또는 훈련 등은 별도다. 연구진은 모방 학습이라고 알려진 머신러닝을 사용하여 다빈치 수술 시스템이 수술 과정과 관련된 세 가지 작업, 즉 바늘 조작, 신체 조직 리프팅, 봉합을 스스로 수행하도록 훈련했다. 이 외과 로봇 시스템은 인간 의사가 할 수 있는 것처럼 수술을 잘 수행했을 뿐만 아니라 스스로 실수를 바로잡는 법도 배웠다. 연구원인 악셀 크리거 JHU 교수는 "예컨대 바늘을 떨어뜨리면 자동으로 집어 올려 수술을 계속한다. 사람이 가르쳐서 한 게 아니다"라고 설명했다. 연구진은 챗GPT와 같은 생성형 AI 챗봇이 구축된 머신러닝 아키텍처와 모방 학습을 결합해 AI 모델을 훈련했다. 일반 챗봇은 텍스트로 작업하도록 설계된 반면, 이 모델은 숫자나 방정식과 같은 수학적 요소로 동작을 설명하는 데 사용되는 언어인 운동학을 통해 수술 시스템의 팔 동작을 지시한다. 모델은 수술 과정 중에 다빈치 로봇의 팔에 부착된 손목 카메라로 녹화된 수백 개의 비디오를 사용해 훈련됐다. 연구진은 이 모델이 수술 로봇의 동작을 지시하는 데 필요한 모든 단계를 수동으로 코딩하는 기존 방법보다 훨씬 더 빠르고 쉽게 모든 유형의 수술 절차를 수행하도록 로봇을 훈련시킬 수 있다고 주장했다. 이는 자동화된 수술을 더 빨리 현실화하는 데 도움이 될 것으로 기대된다. 크리거 교수는 "새로운 모델의 장점은 다양한 절차의 모방 학습만 수집하면 며칠 안에 로봇이 이를 학습하도록 훈련시킬 수 있다는 것"이라며 "이를 통해 의료 실수를 줄이고 더 정확한 수술을 수행하는 동시에 자율성이라는 목표를 가속할 수 있다"고 밝혔다. 이 연구는 최근 몇 년 동안 로봇 지원 수술 분야에서 가장 큰 혁신 중 하나로 꼽힌다. 복잡한 수술에 사용할 수 있는 자동화된 장치가 몇 가지 있는데, 예를 들어 심혈관 수술을 위한 코린더스(Corindus)의 코패스(CorPath) 시스템이 그렇다. 그 기능은 일반적으로 해당 수술의 특정 단계에만 제한된다. 크리거 연구팀은 과거 수술 작업을 자동화하는 다른 접근 방식도 연구했다. 연구진은 2022년, 스마트 조직 자율 로봇(STAR)을 개발했다. 구조적 광(光·빛) 기반 3차원 내시경과 머신러닝 기반 추적 알고리즘의 안내를 받는 로봇은 인간 의사의 개입 없이 돼지 장의 양쪽 끝을 봉합했다. JHU 연구진은 현재 모방 학습 방법으로 로봇이 전체 수술을 수행할 수 있도록 훈련시키는 작업을 진행하고 있다. 로봇이 외과의를 완전히 대체하는 데는 몇 년이 걸릴 수 있지만, 이와 같은 혁신을 통해 환자들은 복잡한 치료를 더 안전하고 쉽게 받을 수 있을 것으로 기대된다.
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- IT/바이오
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[신소재 신기술(130)] AI 기술 접목한 로봇, 비디오만 보고 외과 수술 성공
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[신소재 신기술(129] 암흑물질 실험서 중성미자 '구름' 첫 포착
- 이탈리아와 중국 과학자들이 최근 진행한 암흑물질 실험에서 중성미자 구름을 처음으로 포착해 학계의 이목을 집중시키고 있다. 우주에서 가장 풍부한 입자인 중성미자는 전하가 없고 질량이 거의 없는 아원자 입자로, 물질과 거의 상호 작용하지 않는 특징을 지닌다. 또한 감지 되지 않고 모든 물체를 통과하는 기이한 특성 때문에 '유령 입자'로 불리기도 한다. 참고로 원자를 구성하는 입자 중에서 가장 가벼운 전자조차도 중성미자보다 600만배 더 무겁다. 양성자는 전자보다 약 1836배 더 무겁고, 중성자는 전자보다 약 1839배 더 무겁다. 최근 이탈리아와 중국에서 각각 독립적으로 운영되는 암흑물질 검출 실험인 제논(XENON)과 판다X(PandaX) 연구팀이 암흑물질 주변에서 중성미자 구름을 처음으로 포착했다고 발표했다고 인터레스팅엔지니어링이 전했다. 제논 실험에 참가한 페이 가이오는 "이것은 암흑 물질 실험을 통해 천체물리적 중성미자를 측정한 최초의 사례"라고 말했다. 중성미자-핵 탄성 산란 통해 검출 중성미자는 일반적으로 중성미자-핵 탄성 산란(CEvNS) 과정을 통해 검출된다. 이는 중성미자가 양성자나 전자와 상호 작용하는 것이 아니라 원자핵 전체와 상호 작용하는 과정이다. 연구를 진행하는 동안 연구진은 2년 동안의 실험 데이터를 검토했다. XENON과 PandaX 연구팀은 액체 제논 검출기를 사용하여 암흑물질 입자 또는 중성미자가 제논 원자와 상호 작용하는 방식을 연구하는 과정에서 태양 핵에서 발생하는 붕소-8의 방사성 베타 붕괴에서 나오는 CEvNS 신호를 확인했다. XENON 연구팀은 11개의 CEvNS 신호를, PandaX 연구팀은 75개의 신호를 보고했으며, 두 실험 모두 통계적 신뢰도는 2.64 시그마(PandaX)와 2.73 시그마(XENON)로 유사했다. 듀크 대학교의 물리학 교수인 케이트 숄버그는 "저를 포함한 대부분의 사람들이 이 공동연구가 중성미자 안개를 측정했다고 확신한다"고 말했다. 이번 연구 결과는 암흑물질 주변에 밀집된 중성미자 구름의 존재를 시사하며, 이는 암흑물질 탐색에 새로운 과제를 제기한다. 중성미자는 검출이 어렵기 때문에 우주에 풍부하게 존재하는 중성미자는 암흑물질 검출 시 배경 잡음을 생성하여 암흑물질 신호를 구별하기 어렵게 만들 수 있다. 전문가 "중성미자 구름 위협 과장되었을 가능성…추가 연구 필요" 그러나 멜버른 대학교의 암흑물질 입자 물리학 전문가인 엘리사베타 바르베리오는 "중성미자 구름으로 인한 '존재적 위협'은 과장되었을 가능성이 있다"며 "이러한 배경 잡음이 암흑물질 연구의 진전을 막기 전에 해야 할 일이 많다"고 밝혔다. 그는 이번 실험에는 참가하지 않았다. 이번 연구 결과는 암흑물질과 중성미자 사이의 상호 작용을 이해하는 데 중요한 단서를 제공하며, 향후 암흑물질 탐색 연구에 영향을 미칠 것으로 예상된다. 이 연구는 미국 물리학회에서 발행하는 학술지 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)에 게재됐다.
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[신소재 신기술(129] 암흑물질 실험서 중성미자 '구름' 첫 포착
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