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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 조회수 1344 -
‘불균일 확산’ 160년 난제 풀다
우리 연구진이 160년 넘게 풀리지 않던 불균일 확산 현상의 물리적 원인을 규명했다.
우리 대학 수리과학과 김용정 교수와 바이오및뇌공학과 최명철 교수 연구팀이 기존 확산 법칙이 하지 못했던 불균일한 환경에서 발생하는 분류 현상을 설명하는 새로운 확산 법칙과 실험적 증명을 제시해, 과학의 중요한 진전을 이뤄냈다고 2일 밝혔다.
미시적 입자들의 무작위적인 움직임이 만들어 내는 거시적 질량 이동 현상을 '확산'이라고 한다. 확산은 물리, 화학, 생물, 재료 등 자연 현상뿐만 아니라 정보, 경제, 주가 변동 등 사회 현상에 이르기까지 거의 모든 분야에서 발생하는데, 이는 무작위성(randomness)이 확산 현상의 주요 원인이기 때문이다.
1905년 아인슈타인은 확산을 브라운 운동과 결합해 분자의 무작위 행보(random walk)로 설명했고, 그 이후 균일한(homogeneous) 환경에서의 확산 이론은 완벽하게 정립됐다.
반면, 1856년 루트비히(Ludwig)는 불균일(heterogeneous)한 환경에서는 물질이 확산에 의해 섞이는 것이 아니라 오히려 분류(fractionation)되는 현상을 발견했다.
이후, 확산 이외에 다른 추가적인 대류(advection) 현상이 존재해서 분류 현상을 만드는지, 아니면 입자의 무작위 움직임에 의한 것인지에 대한 의문과 논쟁은 160여 년간 이어져 왔다.
연구팀은 ‘아인슈타인의 입자적 설명'이 불균일한 환경에서 발생하는 분류 현상을 설명할 수 있을 것이라는 가정하에 연구를 진행했다. 연구 결과, 미시적 수준에서의 무작위 행보(random walk)가 불균일한 환경에 적용되면 확산 계수 D는 전도도 K와 운동성 M으로 나뉘며 (D = KM), 이 중 운동성 M에 의해 분류 현상이 발생한다는 것을 수학적 계산과 유도로 밝혔다.
물리적 직관으로 보이지 않던 것이 수학적 계산을 통해 명확해진 것이다. 이렇게 만들어진 새로운 확산 법칙은 기존의 확산 법칙처럼 계수 D 하나로만 이루어지지 않고, 두 계수에 의해 결정되는 ‘2개 요소 확산 법칙(two-component diffusion law)'이 된다.
새로운 확산 법칙이 분류 현상을 완벽하게 설명할 수 있다면, 추가적인 대류 현상은 존재하지 않으며, 오직 입자들의 무작위 운동만으로 분류 현상이 발생한다는 것이 증명된다.
확산의 특성상, 분류 현상을 검증할 정도의 정밀도로 데이터를 측정하는 것이 KAIST 연구팀이 수행한 실험의 도전적 요소였으며, 연구팀은 이 사실을 실험으로 검증해 냈다.
김용정 교수는 "이번 연구는 공간적으로 이질적인 환경에서 확산만으로도 입자의 분류가 가능하다는 것을 입증한 중요한 발견으로 기존 확산 법칙이 설명하지 못한 현상을 정확히 해석해냈다.”고 말했다. 최명철 교수는 “향후 생명과학 및 재료과학 분야에서 새로운 분리 기술 개발에 기여할 것이며 나아가, 불균일한 환경에서의 확산 현상을 다루는 다양한 분야에서 제시된 확산 법칙이 활용될 수 있을 것으로 기대한다" 고 밝혔다.
연구팀은 후속 연구로 온도 불균일에 의한 분류 현상과 고체 내의 성분 불균일에 의한 분류 현상을 연구할 계획이다. 다양한 종류의 분류 현상이 2개 요소 확산 법칙으로 설명될 수 있음을 밝히고, 그 특성을 규명할 것을 계획하고 있다.
수리과학과 김호연 박사와 바이오및뇌공학과 이근민 박사과정생이 공동 제1 저자로, 김용정 교수와 최명철 교수가 공동 교신저자로 참여한 이번 연구는 국제학술지 '미국화학회지(Journal of American Chemical Society)'에 8월 30일 字 온라인 게재됐다.
(논문명: Fractionation by Spatially Heterogeneous Diffusion: Experiments and Two-Component Random Walk Model)
이 연구는 한국연구재단, 보건복지부, KAIST의 지원을 받아 수행됐다.
2024.10.02 조회수 1672 -
경기욱 교수 연구팀, 3차원으로 변하는 모핑 구동기 개발
우리 대학 기계공학과 경기욱 교수 연구팀이 다양한 3차원 형상으로 빠르게 변화하는 모핑 구동기를 개발했다.
현대 기술은 2차원 화면을 넘어 3차원 형상을 통해 정보를 전달하는 새로운 방식을 탐구하고 있다. 그러나 3차원 형상을 빠르게 표현하고 재구성하는 것은 도전적인 과제이다. 이에 대한 해답으로, 최근 연구팀은 전기 활성 고분자의 일종인 PVC 젤, 유전성 유체, 패턴화된 전극으로 구성된 새로운 모핑 구동기를 선보였다.
연구팀의 모핑 구동기는 전기유압식 구동(electrohydraulic actuation) 원리를 이용한다. 전극과 PVC 젤 복합체 사이에 전기장을 가하면 PVC 젤 복합체가 전극에 달라붙는 정전기적 지핑(electrostatic zipping)이 발생한다. 정전기적 지핑을 국부적으로 제어함으로써 유체의 흐름을 제어할 수 있으며, 이를 통해 다양한 형상을 표현할 수 있다.
연구팀이 개발한 모핑 구동기는 1.5 mm의 얇은 두께와, 7 g의 가벼운 무게를 가지면서도 최대 2.5 mm의 수직 변위와 2.0 N의 힘을 출력할 수 있으며, 약 0.045 초 만에 형상을 표현할 수 있다. 또한 기존의 모핑 구동기가 제공할 수 없었던 풍부한 햅틱 피드백을 제공하며, 모양 변화 특성을 활용하여 표면에서 고속으로 물체를 이동시킬 수 있다.
해당 연구는 모핑 구동기의 개발을 통해 사람과 기술이 상호작용하는 새로운 방식을 제안하였으며, 이는 차세대 디스플레이 및 로보틱 인터페이스 등 다양한 방식으로 활용될 것으로 기대된다.
장승연 박사과정 학생이 제1 저자로 참여하고 ETRI와 공동으로 진행한 이번 연구 결과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’Vol.10(39)에 게재 및 Headline article로 소개되었다. (논문명: Dynamically reconfigurable shape-morphing and tactile display via hydraulically coupled mergeable and splittable PVC gel actuator)
또한 본 연구는 지난 8월 한국햅틱스학술대회에서 최우수논문상을 수상했다. 한편 본 연구는 국가과학기술연구회(CRC23021-000), 삼성미래기술육성재단(SRFC-IT2102-04), 한국전자통신연구원(24YB1700)의 지원으로 수행됐다.
2024.09.30 조회수 1547 -
7배 이상 높은 발광 3차원 퀀텀닷 나노구조체 개발
3차원 광학 나노구조체는 빛의 진폭, 위상, 편광 상태를 정밀하게 조작할 수 있어 포토닉스 분야에서 큰 관심을 받고 있다. 한국 연구진이 기존 기술로는 구현이 어려웠던 3차원 퀀텀닷 나노구조체를 정교하게 쌓아 올리는 적층 방식으로 구현하는 데 성공했다.
우리 대학 신소재공학과 정연식 교수, 전기및전자공학부 장민석 교수, 동국대학교 최민재 교수 공동 연구팀이 초미세 전사 프린팅 기반으로 3차원 퀀텀닷 구조 제작 기술을 개발했다고 27일 밝혔다.
연구팀이 개발한 이 기술은 대부분의 나노입자에 적용될 수 있어 범용성이 뛰어나고 우수한 패턴 품질을 제공할 수 있다. 또한, 프린팅 방식으로 대면적화가 가능해 고성능 소자 양산에 활용할 수 있는 장점을 가진다.
특히 편광 빛에 대한 선택적 반응을 보이는 구조적 비대칭성을 가진 대면적 카이랄 구조체를 구현해 기존 최고 기록인 19도* 대비 향상된 약 21도의 세계 최고 수준 **원편광 이색성(Circular dichroism) 성능을 달성했다.
*참조: https://www.nature.com/articles/ncomms14180/figures/2
**원편광 이색성(Circular dichroism): 광학 활성이 있는 물질이 왼쪽과 오른쪽의 편광을 다르게 흡수해 나타나는 현상. 주로 단백질 등 유기화합물들의 구조체를 분석하는 용도로 활용됨. 높은 원편광이색성(단위: 도) 세기를 갖는 물질을 활용할수록 보다 정밀하고 빠른 검출이 가능해짐. 이론적으로 구현할 수 있는 최댓값은 45도임.
따라서 이 기술은 카이랄 특성을 가진 바이오 물질들을 검출할 수 있는 플랫폼으로 활용될 수 있으며, 높은 반응성 덕분에 더 정밀하고 빠른 약물 스크리닝이 가능할 것으로 기대된다.
또한, 장민석 교수팀이 설계한 그물 형태의 퀀텀닷 나노 패턴을 해당 기술을 활용하여 실험적으로 구현한 결과, 일반 퀀텀닷 필름 대비, 약 7배 이상 높은 발광 효율을 달성해 향후 고성능 퀀텀닷 디스플레이 소자에의 응용 가능성을 보였다.
연구를 주도한 정연식 교수는 “이번 연구는 퀀텀닷뿐만 아니라 다양한 고성능 콜로이드 소재를 3차원 나노 구조화함으로써, 차세대 광학 메타물질 및 고감도 바이오센서 분야 등에서 새로운 장을 열 것으로 기대된다 아울러 광학 설계 및 분석 연구와 초미세 나노공정 기술이 융합해 이룬 성공 사례의 하나로도 볼 수 있다”라고 말했다.
신소재공학과 김건영 박사와 전기및전자공학부 김신호 박사가 공동 제1 저자로 연구를 주도한 이번 연구는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 8월 14일 게재됐다.
(논문명: Chiral 3D structures through multi-dimensional transfer printing of multilayer quantum dot patterns)
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 나노 및 소재기술개발사업, 교육부가 추진하는 이공분야 학술연구사업, 산업통상자원부에서 추진하는 전자부품산업기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
2024.09.28 조회수 1404 -
염소 제거로 폐플라스틱 재활용 쉬워진다
전 세계의 플라스틱 생산량이 증가함에 따라 폐기되는 플라스틱의 양도 증가하게 돼 여러 가지 환경적, 경제적 문제를 일으키고 있다. 한국 연구진이 고성능 촉매를 개발해 플라스틱 폐기물의 분해와 재활용을 쉽고 경제적으로 할 수 있도록 하는 기술을 개발하여 화제다.
우리 대학 생명화학공학과 최민기 교수, 충남대학교 에너지 과학기술 대학원 신혜영 교수 공동연구팀이 폐플라스틱의 분해 및 재활용 공정의 중요 반응인 탈염소 반응의 반응 메커니즘을 규명하고 미량의 백금으로도 염소를 효과적으로 제거할 수 있는 촉매를 개발했다고 26일 밝혔다.
플라스틱의 재활용을 위한 다양한 연구가 진행되고 있는데, 특히 열분해를 이용한 화학적 재활용 방법은 복잡하고 비경제적인 플라스틱 폐기물의 분류 과정을 생략할 수 있어 산업적으로 큰 주목을 받고 있다. 또한 이때 생성되는 유분은 플라스틱의 원료인 에틸렌, 프로필렌으로 변환이 가능하기 때문에 완벽한 플라스틱의 순환 경제를 가능케 한다.
하지만 폐플라스틱의 열분해유 내에는 후속 공정에 앞서 제거가 필요한 다양한 불순물들이 포함돼 있다. 특히, 폴리염화비닐(PVC)의 열분해로 생성되는 염소 화합물은 반응기 부식을 유발하고, 촉매를 비활성화시키므로 화학적으로 제거하는 것은 폐플라스틱 재활용에 있어 매우 중요하다. 다만 기존 석유와 같은 탄소 자원에는 염소가 포함돼 있지 않기 때문에 염소를 제거하는 촉매 공정은 현재까지 연구된 바가 없었다.
공동연구팀은 감마 알루미나에 미량(0.1wt%)의 백금을 담지한 촉매를 사용해 탈염소 반응의 메커니즘을 규명하고, 고성능 촉매를 설계했다. 연구 결과, 탄소와 염소 사이의 결합을 끊고 백금에서 활성화된 수소가 감마 알루미나 표면에 전달돼 염소를 염산(HCl)의 형태로 제거하는 독특한 반응 메커니즘을 확인했다.
연구팀은 다량(7,500ppm)의 염소를 포함하고 있는 해양 폐기물 기반의 폐플라스틱 열분해유를 이용한 반응에서도 직접 개발한 촉매를 사용했을 때 염소가 98% 이상 효과적으로 제거됨을 밝혔으며, 높은 장기 안정성을 보임을 확인했다.
최민기 교수는 “탈염소 반응은 폐플라스틱의 재활용에 있어 매우 중요한 반응이지만 현재까지 심도 있게 연구되지 않았다”며, “이번 연구는 세계 최초로 탈염소 반응의 메커니즘을 규명한 것으로 고성능 탈염소 촉매 개발을 앞당기는 데 큰 역할을 할 것이다”고 말했다.
이번 연구는 생명화학공학과 석진 박사과정 학생, 충남대학교 에너지 과학기술대학원 판 티 옌 니(Phan Thi Yen Nhi) 석사과정 학생이 공동 제1 저자로 참여했으며, 연구 결과는 국제 저명 학술지 ‘미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)’에 지난 8월 28일 자 온라인판에 게재됐다.
※ 논문명: Catalytic Synergy between Lewis Acidic Alumina and Pt in Hydrodechlorination for Plastic Chemical Recycling
한편, 이 연구는 롯데케미칼 탄소중립연구센터와 한국연구재단 중견연구자 지원사업의 지원을 받아 수행되었다.
2024.09.28 조회수 1370 -
이제 전자제품도 완전히 생분해될 수 있다
전자폐기물이 발생하지 않는 안전한 전자제품을 구현할 수 있을까?
국제공동연구진은 갑오징어에서 추출한 미래 전자 소재로 주목받는 세피아 멜라닌으로 만든 친환경 필름이 85일 만에 약 97% 생분해됨을 밝혀 지속가능한 친환경 전자제품의 새로운 가능성을 열어 화제다.
우리 대학 건설및환경공학과 명재욱 교수 연구팀이 몬트리올 공과대학 클라라 산타토(Clara Santato) 교수 연구팀과 국제 공동연구를 통해 완전히 생분해되는 세피아 멜라닌 기반 전기 활성 필름을 개발했다고 25일 밝혔다.
해마다 전자제품에 대한 수요가 급격하게 증가함에 따라 매년 약 6천만 톤에 이르는 전자폐기물이 발생하고 있다. 전자폐기물은 자연에서 쉽게 분해되지 않고 납(Pb), 카드뮴(Cd)과 같은 중금속이나 폴리염화비닐(PCB) 등 유해 화학물질을 자연에 유출해 생태계를 오염시킬 수 있다.
한편 생분해성 *유기전자소재는 기존 전자제품에 대한 패러다임을 전환할 수 있는 새로운 소재로 떠오르고 있다. 특히 갑오징어에서 추출할 수 있는 세피아 멜라닌은 생분해성, 저독성으로 지속가능한 미래 전자 소재로 주목받고 있다.
*유기전자소재(organic electronic material): 멜라닌, 타닌, 이모딘, 리그닌, 도파민 등 화학 구조상 전자공액계(electron conjugation)를 특징으로 하는 물질들을 뜻한다.
연구팀은 완전한 분해가 가능한 전기 활성 필름을 구현하기 위해 천연 바이오 소재인 세피아 멜라닌-셸락 잉크 복합체를 플렉소그래피 인쇄 기술을 활용해 은 전극 패턴의 종이 위에 인쇄했다.
인쇄된 필름이 이산화탄소(CO2)로 전환되는 정도(광물화도)를 기반으로 퇴비화 조건에서 생분해 거동을 분석한 결과, 85일 만에 약 97% 생분해됨을 연구팀은 확인했다. 인쇄 필름은 육안으로 봤을 때 20일 이내에 완전히 분해됐으며, 주사전자 현미경 분석을 통해 박테리아가 인쇄 필름의 생분해에 관여하여 퇴비 미생물 군집이 표면에 형성됨을 관찰했다.
한편, 인쇄 필름의 생분해 산물이 생태독성을 띠는지 조사하기 위해 두 가지 식물 쥐보리(Lolium multiflorum)와 메리골드(Tagetes erecta)를 대상으로 발아 실험을 진행한 결과, 인쇄 필름과 그 개별 구성 성분(세피아 멜라닌, 셸락, 셀룰로오스 등)은 식물에 대한 독성이 미미한 것으로 나타났다.
전기적 특성을 분석한 결과 세피아 멜라닌-셸락 인쇄 필름은 10-4 S/cm의 전기전도도를 나타냈다. 해당 전기전도도는 일반 금속이나 고성능 전자 재료에 비해 낮지만, 생분해성 및 친환경 특성 덕분에 환경 센서, 생체 디바이스, 일회용 전자제품 등 특정 응용 분야에서 경쟁력 있는 대안이 될 수 있다.
이번 국제 공동 연구를 이끈 건설및환경공학과 명재욱 교수는 “세피아 멜라닌, 셸락과 같은 널리 쓰이지 않는 바이오 기반 물질을 활용해 완전히 생분해되는 전기활성 필름을 구현한 최초 사례이며, 후속 연구를 통해 지속가능한 전자 디바이스 구현을 위한 여러 대안을 제시할 계획”이라고 밝혔다.
건설및환경공학과 최신형 박사과정과 몬트리올 공과대학 앤써니 카뮈(Anthony Camus) 박사과정이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 지난 8월 29일 국제 학술지 Communications Materials에 출판됐다.
※ 논문명: Electrical response and biodegradation of Sepia melanin-shellac films printed on paper
(저자 정보 : Anthony Camus*, 최신형*(공동 제1 저자*), Camille Bour-Cardinal1(몬트리올 공과대), Joaquin Isasmendi(몬트리올 공과대학), 조용준(KAIST), 김영주(KAIST), Cristian Vlad Irimia(요한케플러대), Cigdem Yumusak(요한케플러대), Mihai Irimia-Vladu(요한케플러대), Denis Rho(캐나다국립연구위원회)**, 명재욱(KAIST)**, Clara Santato(몬트리올 공과대)** (공동 교신저자**), 총 12명)
한편, 이번 연구는 KAIST 공과대학 석·박사 모험연구 및 창의도전사업(C2연구), 한국연구재단 과학기술국제화사업-한국 이공계 대학원생 캐나다 연수 프로그램 사업 등의 지원으로 수행됐다.
2024.09.28 조회수 1358 -
지금 당신의 마음 건강은 어떠한가요?
최근 빠른 고령화 및 출산율 감소 등으로 1인 가구가 급속하게 증가하면서, 1인 가구의 정신건강 문제에 대한 관심도 함께 높아지고 있다. 서울시가 실시한 1인 가구 실태조사에 따르면, 1인 가구의 60% 이상이 외로움을 느끼고 있으며, 특히 사회적 고립과 함께 외로움을 겪는 비율이 상당히 높은 것으로 나타났다.
우리 대학 전산학부 이의진 교수 연구팀이 1인 가구의 정신건강 관리를 위해, 사용자 스스로가 자신의 심리 상태를 기록할 수 있도록 지원하는 상황 인식 기반 멀티모달 스마트 스피커 시스템을 개발했다고 24일 밝혔다.
연구팀은 사용자의 주변 상황을 실시간으로 파악해 최적의 시점에 정신건강 관련 질문하도록 이 시스템을 설계했고 기존의 무작위 설문보다 높은 응답률을 달성하는 것을 확인했다.
기존 스마트 스피커를 활용한 정신건강 자가 추적 연구에서 무작위 설문을 할 경우 사용자의 스트레스, 짜증 등 부정적인 감정이 유발시켜 설문 응답에 편향이 발생할 수 있어 각별한 주의가 필요했다.
이러한 문제 해결을 위해 이의진 교수 연구팀은 스마트 스피커에 멀티 모달 센서를 장착해, 사용자의 주변 상황의 변화를 감지해 스피커가 말 걸기 좋은 시점이 검출되면 정신건강 자가 추적 설문을 능동적으로 요청하는 상황 인식 기반 자가 추적 기술을 개발했다.
스피커는 실내 움직임, 조명, 소음, 이산화탄소 등 다양한 센서 데이터를 종합적으로 분석해 사용자의 존재 및 활동을 감지한 뒤, 사용자가 응답하기 적합한 시점에 자가 추적 설문을 능동적으로 요청함으로써, 설문 응답의 효율성을 극대화했다.
또한, 설문 입력 방식의 경우 최근 출시된 스마트 스피커는 명령뿐만 아니라 터치스크린도 지원하므로 사용자들이 음성 또는 터치 입력 방식을 자유롭게 선택할 수 있도록 해 상호작용의 폭을 넓혔다. 이를 통해 사용자는 상황에 맞는 최적의 인터페이스를 선택해 자가 추적을 쉽게 수행할 수 있도록 했다.
개발된 스피커의 사용자 경험을 평가하기 위해서 연구팀은 1인 가구 20세대에 자가 추적 스마트 스피커를 설치해, 한 달 동안 실증 연구를 수행해서 총 2,201개의 정신건강 설문 응답 데이터셋을 구축했다.
데이터셋 분석을 통해 설문 응답 시간, 활동 맥락에 따른 설문 응답 패턴 및 어떤 상황에서 음성 입력(VUI) 또는 터치 입력(GUI)이 더 선호되는지 파악했다.
특히, 스마트 스피커가 말로 사용자에게 요청을 하다 보니 스피커 근처에서 사용자의 활동을 감지하는 것이 정신건강 설문 응답률에 큰 영향을 미쳤다. 음성 입력의 편의성에도 불구하고 전반적으로 참가자들은 음성 입력보다는 빠른 응답이 가능한 터치 입력을 선호했다.
데이터 분석 결과, 사용자의 주변 상황을 실시간으로 파악해 최적의 시점에 정신건강 관련 질문을 할 경우 응답률이 더 높으며, 어떤 상황에서 음성 또는 터치 인터페이스를 선호하는지도 파악했다.
연구를 주도한 이의진 교수는 “이번에 개발한 스마트 스피커를 앞으로 수용전념치료 기법을 활용한 인간상담사와 같은 기능의 정신건강 관리 지원 스마트 스피커로 발전시키고자 한다. 나아가 실내에서 수집된 일상생활 데이터를 AI 모델로 학습해 사용자 정신건강 상태에 따라 라이프 스타일 패턴을 예측하는 시스템도 개발하여 향후 정신질환 조기 발견과 효율적인 관리를 가능케 할 인공지능 에이전트의 혁신을 이끌 것으로 기대된다” 라고 말했다.
한편 이 연구는 LG전자-KAIST 디지털 헬스케어 연구센터의 지원을 받아 수행됐고 인간 컴퓨터 상호작용(HCI) 분야 국제 최우수 국제학술대회인 미국컴퓨터협회(ACM) 소속 ‘Conference on Human Factors in Computing Systems (CHI)’에서 지난 2024년 5월에 발표됐다.
논문명: Exploring Context-Aware Mental Health Self-Tracking Using Multimodal Smart Speakers in Home Environments
2024.09.24 조회수 1382 -
순수한 입방정 얼음 제작에 성공
우리 대학 신소재공학과 육종민 교수 연구팀이 기존에 만들기 어려웠던 입방정 얼음을 선택적으로 형성시키는 데에 성공하며, 입방정 얼음의 형성 조건 및 얼음의 상전이를 원자단위에서 연구한 결과를 발표했다고 20일 밝혔다.
얼음은 다양한 온도와 압력 조건에 따라 20여 가지 이상의 구조를 갖는 대표적인 동질이상 물질이다. 일반적인 자연환경에서는 육각형의 구조를 갖는 육방정의 얼음이 관찰된다. 그동안 과학자들은 다른 구조를 갖는 얼음이 육방정 얼음과는 다른 물리적, 화학적, 기계적 특성을 가질 것으로 예상했으나, 고압이나 초저온이 필요했기에 육방정과 다른 구조를 갖는 얼음을 형성시키는 데 어려움을 겪고 있었다.
육 교수 연구팀은 소량의 수분이 존재하는 고진공 환경의 투과전자현미경 내부에서 극저온 환경을 모사해 얼음이 형성되는 것을 원자 단위에서 관찰하는 데 성공했다. 해당 관찰을 통해 얼음이 초기에는 준안정적인 입방정 상으로 형성된다는 것을 이해하고, 순수한 입방정 얼음을 제작하는 데 성공했다. 나아가, 이러한 입방정 얼음은 불안정하여 에너지를 받으면 쉽게 안정적인 육방정 얼음으로 전이된다는 것 또한 밝혔다.
연구팀은 얼음 형성시 얼음 입자의 크기에 따라 얼음의 상이 다르게 형성되는 것을 밝혀냈다. 높은 온도에서 형성된 얼음의 경우 입자의 크기가 크게 분포하며 대부분 육방정상과 입방정상을 같이 지니는 복합상 얼음이 형성되며, 형성 초기 단계의 작은 얼음 입자의 경우 순수한 입방정상으로 존재하는 것을 확인했다.
또한, 복합 상 얼음의 경우 얼음이 에너지를 받아 녹는 과정에서 준안정적인 입방정상이 안정적인 육방정상으로 상전이가 일어나며, 이는 얼음 내의 결함의 이동을 통해 낮은 에너지에서도 손쉽게 일어난다는 사실을 밝혀냈다. 해당 사실은 극저온 전자현미경을 이용해 얼음의 구조와 동적 행동을 원자단위에서 상세히 분석할 수 있었다. 이번 연구에서는 입방정상이 육방정상으로의 상전이 현상을 처음으로 직접 관찰했다는 것에 의미가 크다.
육종민 교수는 "이번 연구는 일반적인 대기 중에서 왜 육방정의 얼음이 형성되는지에 대한 가장 기초적이면서 근본적인 해답을 줄 수 있을 것이다"며 "이번 연구를 통해 우주에서 물의 흔적 조사나 사각수 연구 등 다양한 분야에서 중요한 의미를 지닌다"라고 말했다.
신소재공학과 박지수 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `Nano Letters' 2024년 9월호에 표지 논문으로 선정됐다. (논문명: Phase Transition of Cubic Ice to Hexagonal Ice During Growth and Decomposition).
2024.09.20 조회수 2468 -
25% 늘려도 그대로인 스트레처블 디스플레이 개발
스트레처블 디스플레이는 공간 활용성, 디자인 자유도, 신체와 유사한 유연성 등의 장점으로 인해 차세대 디스플레이로 각광받고 있다. 한국 연구진이 25%까지 늘릴 수 있으며, 이미지 왜곡 없이 선명한 화질을 유지하고 15% 비율로 5,000회 늘렸다 펴도 성능이 안정적으로 유지되는 무변형(음의 푸아송비*) 스트레처블 디스플레이를 국내 최초로 개발해 화제다.
*음의 푸아송 비 (Poisson’s ratio of -1): 가로 세로가 같은 비율로 늘어나는 비율로 음(-)의 값으로 표현. 일반적인 물질에서와 같이 가로로 늘릴 때 세로로 수축하는 것을 양(+)의 값으로 표현한다.
우리 대학 신소재공학과 배병수 교수(웨어러블 플랫폼 소재 기술센터장) 연구팀이 한국기계연구원(원장 류석현)과 공동연구를 통해, 신축 시 이미지 왜곡을 억제하는 전방향 신축성을 갖는 스트레처블 디스플레이용 기판 소재를 개발했다고 20일 밝혔다.
현재 스트레처블 디스플레이 기술은 대부분 신축성이 뛰어난 엘라스토머* 소재를 기반으로 제작되고 있지만 해당 소재들은 양의 푸아송비를 가져 디스플레이를 늘릴 때 이미지의 왜곡이 불가피하다.
*엘라스토머 (elastomer) : 고무와 같은 탄성을 가지는 고분자 소재
이를 해결하기 위해 옥세틱* 메타 구조의 도입이 각광받고 있다. 옥세틱 구조는 일반적인 재료와 달리, 한 방향으로 늘려도 전 방향으로 함께 늘어나는 ‘음의 푸아송비’를 갖는 독특한 구조다. 그러나 전통적인 옥세틱 구조는 패턴으로 형성된 빈 공간이 많아서 안정성과 공간 활용도가 떨어져 기판에서는 활용이 매우 제한적이다.
*옥세틱 구조 (Auxetic structure): 음(-)의 푸아송비를 나타내는 특수한 기하학적 구조
배병수 교수 연구팀은 먼저 이미지 왜곡의 문제를 해결하기 위해 음의 푸아송 비를 갖는 옥세틱메타 구조의 최대 난제인 다공성의 표면을 이음매 없이 매끈하게 하면서도 –1의 푸아송비(가장 이상적인 음의 푸아송비) 한계치를 구현하는 기술을 개발했다.
두 번째 탄성률*의 문제를 해결하기 위해 옥세틱 구조를 이루는 부분에 머리카락 두께의 4분의 1 수준인 25마이크로미터 직경의 유리 섬유 다발로 만든 직물을 엘라스토머 소재 내에 삽입했다. 여기에 동일한 엘라스토머 소재로 빈 공간을 채워넣어 빈 공간이 없는 편평하고 안정적인 일체형 필름을 제작했다.
*탄성률: 재료에 힘을 가했을 때 변형되는 정도를 나타내는 비율. 탄성률이 높으면 변형이 잘 일어나지 않는 재료임을 의미한다.
연구팀은 옥세틱 구조와 빈 공간의 엘라스토머 소재 간의 탄성률 차이가 음의 푸아송비에 직접적인 영향을 주는 것을 이론적으로 규명했으며, 23만 배 이상의 탄성률 차이를 구현해 이론적 한계값인 –1의 푸아송비를 나타내는 필름을 최초로 개발했다.
연구를 주도한 배병수 교수는 “스트레처블 디스플레이에 옥세틱 구조를 활용한 이미지 왜곡 방지는 핵심적인 기술임에도 불구하고 표면에 빈 공간이 많아 기판으로 활용하는 데에는 어려움을 겪고 있었다”며, “이번 연구 결과를 통해서 표면 전체를 활용한 왜곡 없는 고해상도 스트레처블 디스플레이 응용을 통해 상용화를 크게 앞당길 것으로 기대하고 있다”고 말했다.
신소재공학과 이융 박사와 한국기계연구원 장봉균 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications)’ 에 8월 20일 출판됐다. (논문명: A seamless auxetic substrate with a negative Poisson's ratio of –1)
이번 연구는 한국연구재단의 선도연구센터 웨어러블 플랫폼소재 기술센터와 한국기계연구원, LG디스플레이의 지원을 받아 수행됐다.
2024.09.20 조회수 2428 -
고비용 인프라 없이 AI 학습 가속화 가능
우리 대학 연구진이 고가의 데이터센터급 GPU나 고속 네트워크 없이도 AI 모델을 효율적으로 학습할 수 있는 기술을 개발했다. 이 기술을 통해 자원이 제한된 기업이나 연구자들이 AI 연구를 보다 효과적으로 수행할 수 있을 것으로 기대된다.
우리 대학 전기및전자공학부 한동수 교수 연구팀이 일반 소비자용 GPU를 활용해, 네트워크 대역폭이 제한된 분산 환경에서도 AI 모델 학습을 수십에서 수백 배 가속할 수 있는 기술을 개발했다고 19일 밝혔다.
기존에는 AI 모델을 학습하기 위해 개당 수천만 원에 달하는 고성능 서버용 GPU(엔비디아 H100) 여러 대와 이들을 연결하기 위한 400Gbps급 고속 네트워크를 가진 고가 인프라가 필요했다. 하지만 소수의 거대 IT 기업을 제외한 대부분의 기업과 연구자들은 비용 문제로 이러한 고가의 인프라를 도입하기 어려웠다.
한동수 교수 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 '스텔라트레인(StellaTrain)'이라는 분산 학습 프레임워크를 개발했다. 이 기술은 고성능 H100에 비해 10~20배 저렴한 소비자용 GPU를 활용해, 고속의 전용 네트워크 대신 대역폭이 수백에서 수천 배 낮은 일반 인터넷 환경에서도 효율적인 분산 학습을 가능하게 한다.
기존의 저가 GPU를 사용할 경우, 작은 GPU 메모리와 네트워크 속도 제한으로 인해 대규모 AI 모델 학습 시 속도가 수백 배 느려지는 한계가 있었다. 하지만 연구팀이 개발한 스텔라트레인 기술은 CPU와 GPU를 병렬로 활용해 학습 속도를 높이고, 네트워크 속도에 맞춰 데이터를 효율적으로 압축 및 전송하는 알고리즘을 적용해 고속 네트워크 없이도 여러 대의 저가 GPU를 이용해 빠른 학습을 가능하게 했다.
특히, 학습을 작업 단계별로 CPU와 GPU가 나누어 병렬적으로 처리할 수 있는 새로운 파이프라인 기술을 도입해 연산 자원의 효율을 극대화했다. 또한, 원거리 분산 환경에서도 GPU 연산 효율을 높이기 위해, AI 모델별 GPU 활용률을 실시간으로 모니터링해 모델이 학습하는 샘플의 개수(배치 크기)를 동적으로 결정하고, 변화하는 네트워크 대역폭에 맞추어 GPU 간의 데이터 전송을 효율화하는 기술을 개발했다.
연구 결과, 스텔라트레인 기술을 사용하면 기존의 데이터 병렬 학습에 비해 최대 104배 빠른 성능을 낼 수 있는 것으로 나타났다.
한동수 교수는 "이번 연구가 대규모 AI 모델 학습을 누구나 쉽게 접근할 수 있게 하는 데 큰 기여를 할 것"이라고 밝혔다. “앞으로도 저비용 환경에서도 대규모 AI 모델을 학습할 수 있는 기술 개발을 계속할 계획이다”라고 말했다.
이번 연구는 우리 대학 임휘준 박사, 예준철 박사과정 학생, UC 어바인의 산기타 압두 조시(Sangeetha Abdu Jyothi) 교수와 공동으로 진행됐으며, 연구 성과는 지난 8월 호주 시드니에서 열린 ACM SIGCOMM 2024에서 발표됐다.
한편, 한동수 교수 연구팀은 2024년 7월 GPU 메모리 한계를 극복해 소수의 GPU로 거대 언어 모델을 학습하는 새로운 기술도 발표했다. 해당 연구는 최신 거대 언어 모델의 기반이 되는 전문가 혼합형(Mixture of Expert) 모델을 제한된 메모리 환경에서도 효율적인 학습을 가능하게 한다.
이 결과 기존에 32~64개 GPU가 필요한 150억 파라미터 규모의 언어 모델을 단 4개의 GPU만으로도 학습할 수 있게 됐다. 이를 통해 학습의 필요한 최소 GPU 대수를 8배~16배 낮출 수 있게 됐다. 해당 논문은 KAIST 임휘준 박사와 김예찬 연구원이 참여했으며, 오스트리아 빈에서 열린 AI 분야 최고 권위 학회인 ICML에 발표됐다. 이러한 일련의 연구 결과는 자원이 제한된 환경에서도 대규모 AI 모델 학습이 가능하다는 점에서 중요한 의미를 가진다.
해당 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단이 주관하는 중견연구사업 (RS-2024-00340099), 정보통신기획평가원(IITP)이 주관하는 정보통신·방송 기술개발사업 및 표준개발지원사업 (RS-2024-00418784), 차세대통신클라우드리더십구축사업 (RS-2024-00123456), 삼성전자의 지원을 받아 수행됐다.
2024.09.19 조회수 2053 -
친환경을 위한 숙신산 세계 최고 수준 생산 성공
지구 온난화 등의 심각한 환경 문제로 인해 화석 연료를 대체할 수 있는 친환경 기반 화학물질 생산 기술개발의 필요성이 지속적으로 증가하고 있다. 우리 연구진이 화학적인 공정이 아닌 시스템 대사공학을 활용, 플라스틱의 원료와 식품, 의약품 등의 합성에 사용되는 매우 중요한 산업 기반 화학물질인 숙신산을 세계 최고 수준으로 생산하는 데 성공해 화제다.
우리 대학 생명화학공학과 김지연 박사과정생과 이종언 박사를 포함한 이상엽 특훈교수 연구팀이 마그네슘(Mg2+) 수송 시스템을 최적화함으로써 고효율 숙신산 생산 균주를 개발했다고 11일 밝혔다.
이상엽 특훈교수 연구팀은 한우의 반추위에서 분리한 미생물인 ‘맨하이미아 (Mannheimia)’의 대사회로를 조작하고 마그네슘 수송 시스템을 최적화해 세계 최고 수준의 생산성을 갖는 숙신산 생산 기술을 개발했다.
연구팀은 미생물 발효 과정 중 pH 조절을 위해 사용되는 다양한 알칼리성 중화제가 숙신산 생산에 미치는 영향을 파악하고, 최적화된 중화제를 선정했다. 특히 수산화마그네슘(Mg(OH)2)이 포함된 중화제를 사용, 마그네슘이 미치는 생리학적 영향을 분석해 세포 성장과 숙신산 생산에 중요한 역할을 한다는 사실을 확인했다.
또한, 맨하이미아 내 존재하는 마그네슘 수송체인 corA 유전자를 규명하고, 다양한 마그네슘 수송체를 도입해 마그네슘의 수송을 더욱 향상했다. 그중 살모넬라 엔테리카(Salmonella enterica) 균에서 유래한 고효율 마그네슘 수송체를 도입해 시스템을 최적화한 결과 152.23 g/L의 숙신산을 생산했으며, 최대 생산성은 39.64 g/L/h를 달성했다.
이는 기존 대비 약 2배 향상된, 현재까지 보고된 세계 최고의 숙신산 생산성 수치로, 연구팀은 이 과정에서 계속해서 세계 기록을 세우며 자체 기록을 경신하고 있다. 이는 생물학적 플랫폼을 통해 화학물질 생산을 극대화한 중요한 발전으로 의의를 지닌다.
이번 논문의 공동 제1 저자인 김지연 박사과정생은 “마그네슘 수송 시스템을 최적화해 고농도의 숙신산을 생산했다는 점에 의의가 있다”며, “이 기술이 향후 중요한 화학물질들을 생물학적으로 생산하는 미생물 균주 개발의 전략으로 작용할 것으로 기대된다”고 밝혔다. 또한, 이상엽 특훈교수는 “이번 연구는 숙신산 생산의 새로운 표준을 제시했으며 생물 기반 화학물질의 경제성을 크게 높일 수 있는 잠재력을 가지고 있으며, 지속 가능한 바이오화학 산업의 발전에도 크게 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.
해당 연구 결과는 국제 학술지인 `미국 국립과학원 회보(PNAS)'에 9월 6일(현지시간) 자 게재됐다.
※ 논문명 : High-level succinic acid production by overexpressing a magnesium transporter in Mannheimia succiniciproducens
※ 저자 정보 : 김지연(한국과학기술원, 공동 제1 저자), 이종언(한국과학기술원, 공동 제1 저자), 안정호(한국과학기술원), 이상엽(한국과학기술원, 교신저자) 포함 총 4명
한편, 이번 연구는 과기정통부가 지원하는 석유대체 친환경 화학기술개발사업의 ‘바이오화학산업 선도를 위한 차세대 바이오리파이너리 원천기술 개발’ 과제(과제 책임자 KAIST 이상엽 특훈교수)의 지원을 받아 수행됐다.
2024.09.11 조회수 1420 -
3차원 신개념 스트레쳐블 OLED 개발
우리 연구진이 골프공의 표면처럼 반복적으로 파여 있는 구조를 도입해 실제 닿는 유효 면적을 줄임으로써 면과 면 사이의 점착력을 현저히 줄인다는 아이디어로, 잡아당겨도 성능을 유지하는 신개념 스트레처블 디스플레이를 개발해 화제다.
우리 대학 전기및전자공학부 유승협 교수 연구팀이 동아대 문한얼 교수, 한국전자통신연구원(ETRI) 실감소자 연구본부와의 협력을 통해 세계 최고 수준의 높은 초기 발광 면적비와 고신축성을 동시에 갖는 유기발광다이오드(organic light-emitting diode, OLED) 디스플레이를 구현하는 데 성공했다고 10일 밝혔다.
기존의 신축형 디스플레이에서는 성능과 신축성을 동시에 확보하기 위해, 발광하는 부분은 단단한 고립구조(rigid island)에 위치해 신축 시에도 기계적 변형 없이 우수한 성능을 보이도록 하고, 이들을 연결하는 커넥터 부분은 말굽 모양 등의 구부러진 형태로 구성해 신축에 따라 용이하게 변형할 수 있게 한다. 통상적으로 이들 구조는 이차원 평면상에 한정되는데, 이 경우 구부러진 연결 커넥터에 필요한 공간 확보를 위해 전체 면적대비 발광 면적의 비율을 불가피하게 희생해야 하는 한계점이 있다.
공동 연구팀은 2차원 평면에 국한하지 않고 구부림 연결 커넥터가 힌지(경첩)형 회전과 인장을 동시에 활용할 수 있는 3차원 높이 교차 구조를 제안, 잡아당기지 않은 초기 상태에서 85%의 발광 면적비와 40%의 최대 시스템 신축률을 동시에 갖는 OLED 디스플레이 기술을 달성했다.
이와 동등한 수준의 신축형 디스플레이를 2차원에 한정된 구부림 연결 커넥터를 통해 구현할 경우, 약 500% 인장이 가능한 연결 커넥터가 있어야 가능할 정도의 우수한 결과다. 연구팀은 또한, 반복적인 동작과 곡면 변형에서도 안정적으로 성능을 유지하는 결과를 확인했다.
처음 시도되는 개념이다 보니 연구 개발이 처음부터 순조롭지는 않았다. 특히, 초박막 OLED가 신축 변화 시 높이를 변화할 때 극복해야 할 OLED 기판과 신축성 플랫폼 사이의 점착력이 생각보다 커, 팝업돼야 할 초박막 OLED가 설계대로 부양되지 못하고 무질서하게 바닥에 붙는 난관에 부딪혔다.
고민을 거듭하던 유승협 교수와 김수본 박사는, 마치 골프공의 표면처럼 반복적으로 파여 있는 구조를 도입해 실제 닿는 유효 면적을 줄임으로써 면과 면 사이의 점착력을 현저히 줄이는 아이디어를 제시, 실험적으로 구현했고 이를 적용해 설계한 대로 완벽하게 동작하는 신축형 디스플레이를 구현하는 데 성공했다.
유승협 교수는 “높은 발광 면적비 및 우수한 신축률을 동시에 가능하게 하는 신축 유기발광 다이오드 기술의 확보는 신축형 디스플레이 기술의 난제를 해결하는 중요한 열쇠”라고 밝히며, "아이디어 입안에서부터 이의 성공적 구현을 위한 기계적 설계, 산업적 호환성이 큰 소재 및 소자구조의 활용, 반복성이 우수한 안정적 공정 수립에 이르기까지 김수본 박사(개발 당시 박사과정 학생, 24년 2월 박사 졸업)의 체계적이고 집념 어린 연구 수행, 그리고 ETRI와 동아대와의 협력이 큰 역할을 했다”고 말했다.
유승협 교수 연구실의 김수본 박사가 제1 저자로 수행한 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 2024년 9월 6일 자 게재됐다.
(논문명: 3D height-alternant island arrays for stretchable OLEDs with high active area ratio and maximum strain, Nature Comm. 15, 7802 (2024). 논문링크: https://www.nature.com/articles/s41467-024-52046-6).
한편 이번 연구는 한국연구재단 선도연구센터 사업(인체부착형 빛 치료 공학연구센터) 및 중견연구자사업, 그리고 한국전자통신연구원 연구운영비지원사업(ICT 소재·부품·장비 자립 및 도전 기술 개발)의 지원을 받아 수행됐다.
2024.09.10 조회수 1649