기타

Nikkei Science_2017.3 특집요약 (p91-99)

● 기술혁신 “World Changing Ideas 2016”
2016년 10대 이노베이션 (Scientific American 선정)
세계가 안고 있는 문제를 해결, 만인의 생활을 향상시킬 가능성을 지닌 커다란 발전 사례

「세계를 바꾸는 혁신적인~」이라는 표현은 남용의 기미가 보이며, 진부하게 들린다. 그러나, 트랜지스터(Transistor)나 월드 와이드 웹(World Wide Web), 휴대폰 등의 발명이 세계에 미친 역사적인 영향을 알리는데 있어, 그 외에 어떤 형용사가 필요한가? 몇 가지 고찰은 실제로 역사를 바꿀 수 있다. 아래에 소개할 탄소호흡 배터리 및 삼킬 수 있는 로봇, 양자통신위성 등 10건의 아이디어가 구상과 동일한 영향을 불러일으킬 지는 아직 알 수 없다. 일반적으로 대부분의 구상은 실현되지 않으며, 대단한 발상일수록 커다란 리스크를 동반한다. 그러나, 웃음거리였던 아이디어가 단기간에 필연적으로 변하는 사례가 있는 것도 사실이다. 그리고 그 일부가 틀림없이 세계를 바꿔나갈 것이다.

1. CO₂를 들이마시며 발전하는 연료 배터리
대기로부터 CO₂를 빨아내어 전기 발전 -- 이상적인 CO₂ 회수기술은 에너지 소모가 아니라 전력 생성

지구온난화를 멈추게 하는 것은 온실가스 배출을 줄이는 것 만으로는 부족하다. 대기 중에 이미 존재하는 이산화탄소(CO₂)를 제거할 필요가 있다. 그 방법은 많이 있지만, 안타깝게도 그러기 위해서는 대체로 대량의 에너지를 필요로 한다. 에너지를 소모하지 않고 반대로 생성하는 CO₂ 회수기술이 가장 이상적이기는 하다. 코넬대학의 Wajdi Al Sadat과 Lynden Archer는 2016년 7월에 Science Advences지에 게재된 논문에서 CO₂를 포획하는 설계의 전기화학 셀(연료 배터리)을 보고했다.

이 배터리의 부극은 저렴하며, 대량으로 가공하기 쉬운 알루미늄으로 형성되어 있다. 정극은 다공질 탄소로, 실험에서는 산소와 CO₂의 혼합기를 주입시켰다. 알루미늄과 산소, CO₂가 배터리 안에서 반응하여 전력과 옥살산 알루미늄을 만들어 낸다. Sadat과 Archer에 따르면, 이 1.4V의 배터리는 수명이 다할 때까지 배터리의 제조에 필요한 알루미늄과 동일한 중량의 CO₂를 대기로부터 빨아들인다.

산소는 최종적으로 부산물인 옥살산 알루미늄으로 정해지지만, 이 물질은 가치가 있다. 옥살산염은 세제 및 표백제 등으로 사용되어 세계에서 연간 약 23만톤의 수요가 있다. 현재는 이것을 공장에서 탄소를 배출하면서 생산하지만, 연료 배터리의 부산물을 이용한다면 공장에서 옥살산염 생산으로 배출되는 분량까지 줄일 수 있다.

2. 새로운 항생물질을 무(無)에서부터 생성시킨다
내성균과의 싸움에 기여

항생물질이 없는 세상은 상상하기 힘들지만, 세계는 항생제의 과다남용으로 가고 있다. 미국 식품의약품국(FDA)에 따르면, 항생제가 더 이상 듣지 않는 감염으로 인해 미국에서만 매년 약 2만 3,000명이 사망하고 있다고 한다. 영국정부의 위탁으로 시행된 연구는, 2050년까지 항생제 내성균에 의해 세계에서 매년 1,000만명이 목숨을 잃게 될 것으로 추산하고 있다. 이런 “슈퍼 균”을 없앨 수 있는 신약개발을 위해 연구자들은 분투해 왔다. 간염이나 연쇄구균성 후두염, 중이염, 피부감염, 성병 등, 일반적인 세포감염의 치료에 사용되는 마크로라이드(Macrolide)계 항생물질에 대해 알아보겠다.

하버드 대학의 화학ㆍ생화학의 교수인 메이어즈(Myers) 팀은 최근, 마크로라이드계 항생물질을 새롭게 만들어 내는 실질적인 방법을 개발하는데 성공했다. 2016년 5월의 Nature지에 발표한 논문에서 300종이 넘는 신규화학물질을 합성했다고 보고. 14종의 병원균에 대한 효과를 조사해본 결과, 대다수는 균을 억제해 많은 내성균을 공격할 수 있었다. 그 후, 메이어즈팀은 500종이상의 신규화학물질을 합성하여 합성법으로 생성된 약을 상품화시키기 위해 회사를 설립했다.

3. 양자 통신위성
우주에서의 양자(量子) 키(Key) 배송으로 해킹 불가능한 웹을 현실화

절대적으로 안전한 암호가 그 어떤 특별한 기술 없이, 종이와 연필만 있어도 가능하다. 메시지를 암호화 한 다음, 키 기능을 하는 랜덤의 문자열을 골라 그 키를 종이에 써 내려간 뒤, 1번만 사용하고 그 종이는 태워버리는 것이 좋다. 문제는 그 키를 누군가가 도중에 해킹하거나 멋대로 바꿀 수 없도록 보증하는 것이다. 그렇기 때문에 인터넷에서는 키의 도청 및 변경이 항상 일어날 수 있다.

양자얽힘 상태의 광자에 의해 사용을 1회로 제한한 키를 만들어, 이 문제를 해결하는 것이「양자키 배송」이라는 기술이다. 양자얽힘 상태의 광자는 양자상태와 서로 상관되어 있어, 한쪽의 광자의 상태를 흐트러뜨리면 그것이 타 방향의 광자에 순간적으로 반영된다. 양자가 아무리 멀리 떨어져 있어도 순식간에 영향을 준다. 양자키 배송법의 문제는 양자얽힘된 광자를 장거리 전송하는 방법이 아직 없다는 것이다. 그러나 지난 8월, 중국과학원이 세계 처음으로 양자통신위성을 궤도상으로 쏘아 올림으로써, 해결을 향해 크게 한 발자국을 내딛게 되었다.

4. 삼킬 수 있는 마이크로 로봇
리모콘식 종이접기로봇이 체내에서 의료처치를 실행

의료처치는 진보할수록 환자의 부담을 가볍게 한다. 예를 들어, 비만 외과수술(감량수술)은 예전에는 배꼽에서 그 주변까지를 절개할 필요가 있었으나, 현재는 복강경을 사용하여 수cm의 절개로 시행된다. 최근, 메사츄세츠 공과대학의 연구팀이 일체 절개 없이 위 내부의 간단한 처치를 실행할 수 있는 로봇을 시험 제작했다. 외부로 연결되는 케이블선도 없다. 환자는 이것을 삼키기만 하면 된다.

이 마이크로 로봇은 얼음 캡슐 안에 넣어져 있어, 위에 도달할 때쯤엔 얼음이 녹아 서 로봇 본체가 종이접기처럼 전개된다. 주름이 잡힌 종이 조각처럼 변하여 교묘하게 배치된 접힌 부분과 잘린 부문이 열이나 전자장에 노출되면 신축하게 됨으로써 위 안에서 움직일 수 있다. 외과의사는 로봇에 탑재된 자석에 몸 밖으로부터의 전자장을 작용시켜 로봇을 조작한다. 또한, 로봇은 본체의 접힌 부분을 위벽에 굽혔다 폈다 함으로써, 조금 움직이고 멈추는 스틱 슬립(Stick Slip)운동을 반복하여 위치를 바꿀 수도 있다.

본체는 생체적합성이 있는 재료로 제작되어 있으며(일부는 소시지의 껍질로도 쓰이는 돼지의 창자), 체내의 상처에 약을 운반하거나 스스로가 구급 반창고처럼 들러 붙어서 상처를 보호하는 것도 가능하다. 실수로 삼켜버린 버튼 전지 등의 이물질을 자석으로 “주워 올려” 제거하는 것도 가능하다.

5. 빈곤지역 예측 소프트웨어
기계학습을 활용한 소프트웨어는 위성화상을 해석하여 원조에 필요한 지역을 찾아 낸다

2015년, 유엔은 2030년까지 세계에서 극빈국을 없앤다는 목표를 세웠다. 이것은 대담한 목표이다. 가장 가난한 사람들이 어디에 살고 있는지를 특정한다는 그 첫 걸음이 예상을 뛰어넘을 정도로 힘들기 때문이다. 빈곤국 및 무력분쟁이 일어나기 쉬운 국가에서 경제조사를 한다는 것은 비용도 들지만, 그에 따른 위험도 동반한다.

따라서, 현지조사 대신에 야간의 위성화상으로 특별히 어두운 지역을 찾는 것으로 그 문제를 해결하려는 연구가 이어지고 있다. 그러나, 이 방법은 불완전하며 빈곤의 정도를 나누기는 힘들다. 조금 가난한 지역이나 극빈지역이 밤에 우주에서 보기에는 다르지 않기 때문이다. 양쪽모두 어둡기는 마찬가지이다.

스탠퍼드대학의 Burke 조교수팀은 기계학습을 사용하여 위성화상의 분석을 개량하는 방법을 찾았다고 한다. 그들은 아프리카의 5개국에 대해 밤과 낮 동안의 양쪽을 촬영한 위성화상을 이용하여 화상해석 소프트웨어를 훈련시켰다. 야간과 낮 동안의 데이터를 조합함으로써, 컴퓨터는 낮 동안에 보이는 어떤 특징(도로 및 도시, 농지 등)이 야간의 어느 밝기의 레벨과 상관되어 있는지를 “학습”했다.

이렇게 학습한 소프트웨어는 낮 동안의 위성화면 만으로 빈곤지역을 특정할 수 있게 되었다. 이것을 아프리카의 5개국의 실제 조사 데이터와 비교해 본 결과, 야간의 불빛으로 빈곤국가를 예측했던 이전의 빈곤지역 예측 도구보다 이번 방법이 실질적으로 좀더 정확하게 반영되었다.

6. 결정판 Cool Biz
나노다공질의 옷으로 시원하게 냉방 억제

세계가 온난화가 되어갈수록 많은 사람이 에어컨을 강하게 틀게 될 것이다. 그러나, 냉방에는 전력이 필요하며 발전에 의한 온실가스가 그만큼 배출된다. 미국에서 에어컨이 대기 중에 방출하는 이산화탄소의 양은 매년 1톤이 넘는다.

스탠퍼드대학에서 물질화학과 재료공학 교수로 재임 중인 Yi Cui(츠이) 씨는 에어컨이 아닌 의복을 사용하여 사람들을 시원하게 하고 싶다는 생각을 가지고 있다. 면직물의 옷은 얇더라도 신체에서 방사하는 적외선을 흡수하여 열을 받는다. 이것에 비해, 리튬이온전지 등에 사용되는 나노공질폴리에틸렌(나노PE)라는 재료가 적외선방사를 밖으로 내보낸다는 사실을 츠이 일행이 발견하였다. 또한, 땀의 증발에 의해 온도를 낮추는 기능성 운동복과는 달리, 나노PE는 땀을 내지 않아도 기능을 할 수 있다고 한다.

「나노 PE의 옷을 입은 경우, 밖의 기온이 체온보다 약간 낮을 때에 한하여 더욱 시원하게 느끼게 된다」라고 츠이씨는 설명한다. 더운 날에는 에어컨을 틀고 싶어지겠지만, 온도 설정을 낮출 수는 있을 것이다. 설정을 2~3도 낮추는 것 만으로 에어컨의 전력소비를 절반 가까이 줄일 수 있다는 것이 연구를 통해 밝혀졌다.

7. 궁극의 항(抗) 바이러스약
희귀 유전자 변이를 힌트로 다양한 바이러스를 억제하는 첫 약제가 탄생될 수도 있다

바이러스는 약제로부터 교묘하게 몸을 피하는 것으로 악명이 높으나, ISG15라는 유전자의 드문 변이에 대해서는 힘을 쓰지 못 한다. 이 변이를 가진 사람은 병원성 바이러스 침투의 대부분을 잘 막을 수 있다. 그러나, 변이를 가진 사람의 비율은 아마도 1,000만분의 1도 되지 않을 것이다.

마운트 사이나이(Mount Sinai) 의과대학의 Dusan Bogunovic는 이 변이를 모방한 약 개발이 가능하다고 생각하고 있다. 그렇게 되면, 발병을 피하면서 어떤 바이러스라도 퇴치할 수 있는 정제가 출현하게 될 것이다. 복용 중에 접하게 되는 바이러스에 대한 평생 면역력을 환자에게 부여할 수 있게 될 것이다.

이 유전자의 변이가 어떻게 바이러스를 제어하여, 어떻게 하면 그것을 약제에 적용할 수 있을까를 해명하기 위해 Bogunovic 팀은, 이 변이를 가진 6명의 게놈을 해석하여 혈액세포와 피부세포를 채취하여 실험했다. 실험결과, 변이를 가진 사람들은「감염바이러스에 대한 대비가 일반사람들 보다 잘 갖춰져 있었다」라고 Bogunovic는 말한다. 인체가 침투된 바이러스를 공격하여 면역을 확립해, 바이러스가 충분히 복제될 수 없게 만들어 발병을 막을 수 있는 것이다.

Bogunovic는 동일한 효과를 가진 신약개발을 위해 바이오 기업의 설립을 준비 중에 있다. 「인체를 아주 조금 조정하는 것만으로 감염증이 인체에 가하는 일격을 약하게 만들 수 있다」라고 그는 설명한다.

8. 화상을 읽는 소프트웨어
인공 지능의 방법으로 컴퓨터가 패턴을 사람보다 능숙하게 인식하는 것을 가능하게 한다

뉴욕대학과 메사추세츠 공과대학, 토론토 대학(캐나다)의 팀은 BPL을 사용한 컴퓨터가 익숙하지 않은 손 글씨 문자를 단 하나의 사례에 준거하여 사람보다 능숙하게 인식하여 재현할 수 있다는 것을 발표했다.

심층학습은 인간의 뇌의 기본적인 패턴 인식기능을 모방한 모델이지만, BPL에 의한 기계학습은 근본적으로 다르며, 한 패턴을 그리기 위해 필요한 일련의 동작을 생각하는 뇌의 능력에 힌트를 얻고 있다. 예를 들어, “A라는 문자를 2개의 사선을 연결시켜 중앙에 짧은 가로줄을 긋는다는 3획의 동작으로 쓸 수 있는 문자” 라는 형태로 인식한다.

이 종류의 기계학습은 융통성이 있으며 효율도 좋다. 모르는 문자를 분석ㆍ재구성하기 위해 BPL 소프트웨어가 사용하고 있는 것과 같은 프로세스에 의해 강의 흐름 등의 복잡한 현상에서 보여지는 인과패턴을 추정하여, 그것을 다른 계열에 응용할 수 있는 인공지능 개발이 언젠가는 가능할 수도 있다. 인간은 항상 그런 종류의 추상적인「수평사고」를 해 왔다. BPL은 동일한 능력을 컴퓨터로 가능하게 한다. 「컴퓨터가 개념을 터득하여, 그것을 본래와는 다른 많은 작업(Task) 및 분야에 응용될 수 있도록 하고 싶다」라고 뉴욕대학의 Lake씨는 말한다. 「수평사고는 인간 지능의 중핵이기 때문이다」.

9. 초(超)저가 진단 시트지
에볼라 출혈열 및 결핵을 그 자리에서 바로 검사하여 많은 생명을 구하다

아프리카 시골의 진료소에 고열인 환자가 방문했다. 가벼운 열병에서 에볼라 출혈열까지, 여러 가지 가능성을 예상할 수 있다. 혈액검사가 가능한 경우에도, 검사 연구소에서 결과를 받을 수 있을 때까지 수 일이 소요된다. 의사는 항생제를 처방할지, 아니면 격리시켜야 할지 결정해야 한다.

이런 상황에서 생명을 구할 수 있는 신속하고 저렴한 진단 시트지(가정용의 임신검사 키트와 비슷한 간단 한 도구)가 예전부터 요구되어 왔으며 첫 생산품이 상품화를 눈앞에 두고 있다. 또한, 비영리단체인 Diagnostics For All은 혈액을 통한 간기능 검사를 아프리카에서 전개하기 위해 허가를 기다리는 중이다. Bill & Melinda Gates재단이 출자한 Intellectual Ventures (워싱턴)는 초고감도의 말라리아 검사 및 소변을 통한 결핵진단 키트에 주력하고 있다.

워싱턴 대학(시애틀)의 생물공학 교수 Paul Yager은 혈액 중에 존재하는 에볼라 바이러스의 단백질을 고밀도로 조사하는 테스트를 개발 중이다. 이것들은 모두 특별한 훈련 없이 사용할 수 있고, 가격도 수 달러 이하로 저렴하다.  

이들의 진단 도구의 중핵부는 길고 가는 시트조각으로, 체액을 분리하거나 농축 및 혼합하는 패턴을 삽입하거나 겹치게 했다. 종이는 혈액이나 소변 등의 체액을 자연스럽게 흡수함으로써 샘플은 자력으로 이 시스템 안으로 흘러 들어가서 패턴에 따라 병원체 및 질병의 원인 특정에 필요한 희석물이나 반응시약에 반응하게 된다.

10. 초(超)원자를 만드는 초(超)분자
주기율표에는 없는 원자 및 분자, 재료를 설계하여 만들어낸다

주기율표에는 많은 원소가 기재되어 있다고 생각하겠지만, 공교롭게도 화학자나 재료 과학자들은 더 많은 원소를 원한다. 특이한 성질을 겸비한 유용한 물질(예를 들어 목재와 같은 생분해성을 사진 실리콘을 닮은 초전도체 등)을 합성하려고 하면, 자연의 안내서에 기재되어 있는 재료로는 한계가 있기 때문이다. 「자주 자연계에 존재하지 않는 원자를 원하게 될 것이다」하고 콜롬비아 대학에서 화학교수에 재직중인 Colin Nuckolls는 말한다.

단일원소의 Unit처럼 행동하는 원자집단「초원자(슈퍼 아톰)」을 조합한 분자를 만들면, 이런 요구에 대응할 수 있는 가능성이 있다. 초원자 제조법은 수 십년 전부터 알려진 것으로, 그것들을 더 큰 구조로 연결시킬 수 있는 신뢰성 높은 방법으로는 오랫동안 엄두도 내지 못했던 일이다.

Nuckolls 일행은 최근, 초원자로 원하는 “디자이너 분자”를 조립하는 방법을 발견했다. 자연계의 분자의 특성을 모방한 구조로, 목적에 따라서 특성을 조정할 수 있게 되었다. 「초원자분자의 화학 특성 및 자기(磁氣) 특성은 평상시의 원자구조로는 불가능한 형태로 쉽게 바꿀 수 있다」라고 Nuckolls는 말한다. 「주기율표에 새로운 차원이 1개 더 추가되는 것이다」.

Nuckolls 팀은 지금까지 코발트나 셀레늄으로 생성된 초원자를 2개 또는 3개로 연결시킨 분자를 만들었다. 초원자의 아우프바우(Aufbau) 원리는 플렉시블 센서 및 스마트 의복, 고효율전지 등에 응용 가능한 특수 물질의 합성이 가능하다고 생각하고 있다. 화학의 교과서에 있는 주기율표를 개정할 필요는 조금도 없다. 「그렇게 되면 연금술이 되어 버린다」라고 Nuckolls는 말한다. 그러나 초원자분자는「자연이 주는 그 이상의 것을 손에 넣을 수 있는 방법이다」.

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