과학기술/기타

Nikkei Science_2018.3 특집요약 (p51-61)

● 기술혁신 “Top 10 Emerging Technologies to Watch of 2017”
세계의 10대 이노베이션
세계를 변혁시킬 이머징 테크놀로지

사막의 공기로부터 식수를 추출한다면 어떨까? 그것도 송전망으로부터의 전기를 사용하지 않고 말이다. 암으로 의심되는 환자의 생체 조직을 적출해 내지 않는 생검(생체 조직의 일부를 잘라 검사해서 병리 조직학적으로 진단하는 일)이 가능할까? 눈깜짝할 사이에 어려운 문제를 풀어줄 컴퓨터가 만들어진다면 어떨까?

이것들을 현실화하는 기술이 향후 수년 안에 일반화될 전망이다. 본지 SCIENTIFIC AMERICAN과 세계경제포럼의 전문가 네트워크가 협력하여 선보이는 이번 특집에서는 그런 이머징 테크놀로지 10건을 선별하여 소개하겠다.

2017년의 이머징 테크놀로지를 선정하는데 있어서 우리는 세계적으로 저명한 전문가로 구성된 운영위원회를 조직했다. 운영위원회에서 후보기술을 선정한 다음, 세계경제포럼의 엑스퍼트 네트워크와 글로벌 퓨쳐 평의회, SCIENTIFIC AMERIAN의 편집 고문 등, 산관학의 새로운 연구 개발을 통한 사람들의 조언을 얻어 후보를 축약시켰다. 축약하는 과정에 있어서는 아직 일반화되지 않은 기술이지만, 보다 많은 연구비 획득에 성공하는 등의 다음 단계로 발전할 가능성이 보이는 것에 중점을 두었다. 또한, 사회와 경제에 커다란 편익을 가져오는 등, 기존의 방법을 바꿀 수 있는 능력을 가지고 있는 것을 선정 조건으로 했다.

[ Key concepts ]
혁명 능력을 중시하여 선정
▶ 질병의 예방과 치료에 관해서는 보다 뛰어난 생검법 및 DNA 백신, 모든 종류의 인간 세포의 내용을 매칭하는 전세계 규모의 공동 프로젝트가 사람들의 건강과 개별화 의료에 크게 공헌할 것이다.
▶ 태양광에 의한 수분 회수 및 재생가능 연료를 제조하는 인공 광합성의 기술 진보에 의해 계속해서 늘어나는 인구에게 지속 가능한 형태로 자원을 공급할 수 있는 가능성이 커졌다. 정밀 농업은 센서로부터의 데이터를 실시간으로 활용함으로써 보다 효과적인 먹거리의 생산 수단이 된다.
▶ 환경기술을 쉽게 이용할 수 있게 되었으며, 주택가를 통째로 제로 에미션 사회로 전환할 수 있게 되었다. 수소연료전지를 개량하는 새로운 접근 방법으로 보다 저렴한 에코 자동차를 만들 수 있게 될 것이다.
▶ 시각 처리 AI 및 양자컴퓨터의 개선은 인간보다 더욱 능숙하게 데이터를 해석하여 복잡한 문제를 해결하는 기계로 이어지고 있다.

1.〔공중위생〕태양광으로 공기 집수 기술
공기 중의 수분을 추출하여 식수를 얻어, 장치를 구동하는 것은 태양에너지
D.J. 넬슨 (오클라호마 대학)/ 외 1명

깨끗한 물을 구할 수 없는 사람이나 멀리까지 물을 길으러 가지 않으면 안 되는 사람은 전세계에 수십 억 명에 달한다. 만일 공기로부터 수분을 직접 추출할 수 있다면 엄청난 혜택이 아닐 수 없다. 그러나 기존의 기술로는 일반적으로 함수율(含水率)이 높은 장소에서만 가능하며, 많은 전력을 필요로 하여 비용이 늘어난다.

MIT(매사추세츠 공과대학)와 캘리포니아 버클리 대학 연구팀은 ‘금속유기구조체(MOF)라는 다공성 결정체를 이용하여 에너지를 전혀 사용하지 않고 물을 추출하는 공정을 테스트했다.

지난 4월, 야기(버클리 대학 화학자) 그룹은 MIT의 기계공학자인 왕(Wang) 그룹과 함께 물에 대한 친화성이 높은 푸마르산 지르코늄 다공체 ‘MOF-801’을 이용한 시작 장치를 보고했다. 공기 중으로부터 수분을 추출하여 표면적이 큰 포아필터에 보관하고 자연의 태양광을 받게 하면 그 열에 반응하여 물이 용기에 방출된다. 습도가 20%의 사막 수준으로 낮은 경우에도 1kg의 MOF로 하루에 2.8리터의 물을 수확할 수 있다고 한다. 이 장치는 별도의 에너지를 필요로 하지 않는다.

2.〔에너지〕인공광합성으로 CO₂를 연료로
한 발 앞선 인공광합성은 식물처럼 CO₂를 직접 연료로 바꿀 수 있다.
J. 가르시아 말티네스 (알리칸테 대학, 스페인)

식물의 잎은 태양광의 에너지를 이용하여 이산화탄소(CO₂)를 탄화수소화합물로 바꿔 그것을 세포의 활동에 사용하고 있다. 이 광합성을 본떠서 인공 프로세스를 개발, 저장 가능한 연료를 만들어 냄으로써 태양광발전 및 풍력발전이 안고 있는 문제를 해결할 수 있게 될 전망이다. 볕이 없거나 바람이 불지 않는 때를 대비해 에너지를 보존해 놓을 수 있다.

오랫동안 많은 연구자가 주력해 온 것이 태양광으로 활성화한 촉매에 의해 물을 산소와 수소로 분해하는 타입의 인공광합성이다. 이로 인해 만들어진 수소는 서스테이너블(Sustainable)한 자원이 된다. 그러나 그 수소를 가지고 CO₂를 탄화수소로 전환하는 환원반응에 사용하면 실제의 광합성에 한층 더 가까워진다. 식물의 잎사귀와 같이 CO₂와 물, 태양광을 사용하여 연료를 만드는 시스템이 되는 것이다.

3.〔컴퓨팅〕시각 작업을 위한 딥러닝 AI
화상인식을 딥러닝으로 학습하여 의료 및 사회 안전 등, 많은 것을 바꾼다
A. Mishra (doc.ai)

최근에 심층학습이라는 AI의 신기술이 등장함에 따라 컴퓨터가 다양한 종류의 화상을 사람보다 더 뛰어나게 식별할 수 있게 되었다. 이 기술을 이용한 제품은 이미 기업에 의해 판매되고 있다. 트럭 운전에서 의료 화상을 해석하여 병을 진단하는 것에 이르기까지, 인간이 하고 있는 다양한 업무를 AI가 대행 또는 보좌하게 될 것이다.

현재, 심층학습을 이용한 컴퓨터 비전이 다양한 용도로 개발되고 있다. 보행자를 인식하는 능력이 높아져 자율주행의 안전성이 향상되고 있다. 손해보험사는 사고차의 손상을 평가하기 위해 이와 같은 기술을 사용하기 시작했다. 감시 카메라는 군중의 행동을 파악할 수 있게 되어, 공공 장소 및 공항 등의 안전 확보에 큰 기여를 하고 있다. 농업 분야에서는 수확량의 예측 및 수량(水量) 감시, 병충해의 조기 검출 등에 심층학습을 응용할 수 있다.

4.〔공학〕정밀농업
센서와 실시간의 데이터 처리로 수확량을 높여 낭비를 없앤다
G. 린 (미국군보건과학대학/ 조지 홉킨스 대학) 외 1명

세계의 인구 증가에 따라 식량을 증산할 필요가 있으나, 경작 가능지의 증가가 인구증가를 따라가지 못하고 있다. 식량위기에 대한 우려는 지역을 넘어 전세계의 식량 불안정화로 이어지고 있다. 이에 따라 ‘정밀농업’을 활용하는 대규모 농가가 늘어났다. 수확량을 늘려, 폐기물을 줄이고 농업에 필연적으로 따라오는 경제적∙안전 상의 위험을 완화시킨다.

기존의 영농법은 작부나 수확, 관개, 농약살포 등을 해당 지역의 조건과 역사적 데이터를 토대로 결정하여 밭 전체를 대상으로 관리하고 있다. 이에 반해, 정밀농업은 센서 및 로봇, GPS, 지도화 툴 및 데이터 해석 소프트웨어를 조합하여 노동을 늘리지 않고 작물의 손질을 정밀하게 조정한다. 고정 센서 및 로봇탑재 센서, 카메라 부착 드론이 개별의 작물의 화상과 데이터(줄기의 크기 및 잎의 모양, 주변의 토양 성분 등의 정보)를 무선으로 컴퓨터에 전송하여 작물의 건강 상태를 파악한다. 농가는 이 정보를 실시간으로 수신하여 물이나 살충제, 비료를 적당량으로 조절하여 필요한 장소에만 공급한다. 작부 시기와 수확 시기의 결정에도 큰 도움이 된다.

5.〔의학 & 바이오〕인간세포지도(Human Cell Atlas)
인간의 다양한 세포 전체에 대해 그것이 어떤 기능을 하고 있는 지를 해명한다
S.Y. 리 (한국 과학기술원)

인체가 어떻게 기능하고 있으며 병이 어떻게 생기는지를 깊이 있게 이해하기 위해서는 엄청나게 많은 양의 정보가 필요하다. 모든 조직에서의 세포 특징을 파악할 필요가 있으며 각 타입의 세포에서 어떤 유전자와 단백질 등의 분자가 활동하고 있는지를 알아야 한다. 또한 그 세포의 정확한 위치, 다른 세포와의 상호작용, 세포 유전자의 움직임의 변화가 인체 기능에 어떤 변화를 주는지를 파악해야 할 필요가 있다. 그런 다양하면서도 복잡한 지식 베이스를 구축하는 것은 불가능하다고 생각할 수도 있다. 그러나 어느 국제연구 컨소시엄이 그 구축을 위해 첫발을 내디뎠다. ‘인간세포지도’라고 불리는 계획이 그것이다.

이 컨소시엄은 2016년 10월에 계획 설립의 회합을 개최하여 현재까지 조직화되고 있다. 멤버에는 미국 자선단체인 '챈 저커버그 이니셔티브(Chan Zuckerberg Initiative, CZI)'도 참여하고 있으며 공개 데이터 총괄 플랫폼을 구축하기 위한 재정적 지원과 공학적 지원을 제공한다고 2017년 6월에 공표했다. 수집한 데이터를 통합하여 해당 프로젝트 내외의 연구자들에게 바로 공유할 수 있게 한다.

기존의 연구 프로젝트와 향후 프로젝트로부터 얻는 정보를 인간세포지도에 활용함으로써 많은 기술 개발이 가능해질 전망이다.

6.〔의학 & 바이오〕액체 생체검사
초고감도 혈액 검사가 암 진단과 치료를 크게 개선시킨다
A. Mishra (doc.ai)

암으로 의심될 경우, 영상촬영과 함께 생체조직검사(생검)를 시행한다. 종양의 샘플을 채취하여 현미경을 통해 조사한 후, 암을 초래한 유전자 변이를 특정하는 경우가 많다. 이들 결과는 암 타입과 진행 단계를 판별하여 최적의 치료법을 결정하는데 기여한다. 그러나 종양의 위치에 따라서는 생검이 안 되는 경우도 있다. 또한 생체조직의 채취와 해석에는 시간과 비용이 든다. 생검은 환자의 신체를 절개하는 등의 침습적 처치이므로 감염 등의 합병증에 대한 우려도 있다.

이와 같은 문제를 해결하는 검사법으로 ‘액체 생체검사(Liquid Biopsy)’가 유력시되고 있다. 암의 징후를 혈액 속에서 찾아 내는 조사방법으로, 수십 개의 기업이 독자적인 검사법을 개발 중에 있다. 앞으로의 시장 규모는 수십 억 달러가 될 전망이다.

액체 생체검사는 암세포로부터 떨어져 나와 혈액 속을 떠도는 유전물질인 ‘혈중 순환 종양 DNA(ctDNA)’에 주목하는 방법이 전형적이다. 그런 DNA를 신속하게 검출하여 증폭, 염기 배열을 저렴한 비용으로 해석하는 기술이 최근에 와서 실현되었다.

액체 생체검사에는 생체 조직검사로는 할 수 없는 장점이 있다. 검사를 반복하면 증상이나 화면으로 나타나는 것보다 훨씬 빠른 단계에서 암의 진행 및 항암제 내성의 발생을 검출할 가능성이 크다. 또한 생검은 종양의 극히 일부를 추출하여 검사함으로써 악성 암세포를 추려내지 못하는 경우도 있지만, 액체 생체검사는 원리적으로 종양에 포함된 변이를 전부 검출해 낼 수 있다. 악성의 변이가 발견되면 보다 집중적인 치료를 결정할 수 있다. 더욱 중요한 것은 앞으로 빠르고 간편한 스크리닝 검사로서 이용할 수 있는 가능성이 크다는 점이다.   

7.〔자동차〕연료전지차용의 신 촉매
귀금속을 줄임으로써 수소연료전지의 비용을 대폭적으로 절감
D.J. 넬슨 (오클라호마 대학)

이산화탄소를 배출하지 않는 전기자동차(EV)가 앞으로 주류가 될 전망이다. 지금은 도로 위를 달리고 있는 자동차의 1%에도 못 미치지만, 배터리 비용 및 수명 등의 특성을 개선하는 기술이 많이 등장한 덕분에, EV의 가격은 가솔린차와 충분히 경쟁할 수 있게 되었다. 테슬라 모터즈가 2018년 중반에 판매할 예정인 신형 자동차 ‘모델3’는 35,000달러(약 400만엔)로, 이미 40만건이 넘는 예약 주문을 받은 상태이다.

이에 반해, 또 다른 CO₂ 배출가스 제로 자동차로서 기대를 모으고 있는 수소연료전지차는 안타깝게도 여전히 고가이다(도요타자동차 ‘MIRAI’의 일본에서의 제조사 희망소매 가격은 세금포함 720만엔). 그러나 많은 연구기관과 기업은 연료배터리의 가장 고가 요소인 촉매의 혁신을 통해 비용절감에 나서고 있다. 기존 촉매의 대부분은 귀금속의 백금을 포함하고 있다. 백금은 비쌀 뿐만 아니라 자동차 용도를 충당하기에는 자원량이 턱없이 부족하다.

촉매의 백금을 줄이기 위해 몇 가지 방안이 있다. 보다 효과적으로 사용하기 위해 일부, 또는 전체를 팔라듐(백금과 거의 같은 촉매 기능이 있으나, 조금 더 저렴함)으로 전환하거나 이것들의 귀금속 중 하나를 니켈이나 동(銅) 등의 저렴한 금속으로 전환, 또는 일절 금속 없이 만드는 등이 있다. 기존의 촉매는 탄소필름 위에 백금의 나노입자를 박막으로 몇 겹이나 쌓아 올린 구조였으나, 탄소 필름을 대신 할 기판도 시험하고 있다.

8.〔의학 & 바이오〕DNA 백신
감염증을 예방하는 백신을 신속하게 개발∙제조할 수 있게 된다
G. 린 (미국군보건과학대학/ 조지 홉킨스 대학)

감염증을 예방하는 표준적인 백신은 약독화(弱毒化) 또는 사멸시킨 병원체나 그 단백질로 만들어진다. 이것들이 병원체의 표면에 있는 특정의 단백질 조각(항원)을 인식하도록 면역계에 알려 준다. 항원은 공격을 해야 하는 적을 나타내는 표식이 되어 다음에 병원체가 침투해 왔을 때 면역계는 재빨리 공격할 수 있다(최근 대부분의 백신은 병원체를 제외한 항원만을 투여한다).

이에 반해, ‘DNA 백신’은 유전자로 만들어지며, 수 많은 장점이 있어 의료계에 커다란 영향을 미치게 될 전망이다. 예를 들어 지카 바이러스나 에볼라 출혈열 등의 바이러스가 갑자기 병원성이 강해져 확산될 경우에도 이에 대응할 백신을 신속하게 만들 수 있다.

9.〔에너지〕공동생활권의 지속 가능한 디자인
개별 주택이 아닌 근접지역 전체를 ‘친환경’으로
D.M. 카멘 (캘리포니아 대학 버클리 캠퍼스)

미국에서는 에너지와 물의 사용량을 줄이기 위해 개인주택을 수리하는 사례가 과거 10년간 폭발적으로 늘어났다. 그러나 여럿의 건물을 한꺼번에 성(省)에너지화 하는 것이 보다 효율적일 것이다. 자원과 기반설비를 공용화하여 폐기물을 줄일 뿐만 아니라, 빈곤 지역과 소득레벨이 중간 지역의 주택을 한데 모아 개수한다면 비용이 줄어들어 각 가정에서 단독 보수로는 엄두도 못 냈던 첨단 기술을 도입할 수 있을 것이다.

한 예로, 필자가 캘리포니아 대학 버클리 캠퍼스에서 건축∙도시설계 교수인 Fraker 교수와 함께 추진하고 있는 ‘오클랜드 에코 블록 프로젝트’가 있다. 이 계획은 기존의 기술을 적용하여 화석연료와 물의 소비 및 온실가스 배출을 극적으로 줄이려는 취지로 만들었다.

재생가능 전력을 도입하기 때문에 지역의 건물에 태양전지 패널을 설치하여 전력을 지역 내 소규모 전력공급망을 통해 전송한다. 잉여전력은 공용 건물에 설치한 플라이휠 저장장치에 축적시킨다. 주민은 전기자동차를 공용으로 사용하여 지역 내의 충전 스테이션을 20곳 이상 설치한다. 이에 따라 연간 전력 소비량은 절반 이하로 줄어들어, 이산화탄소 배출은 제로가 될 것이다. 미국의 온실가스의 4분의1 이상이 주택으로부터 배출된다는 점을 감안하면, 이것은 가치 있는 개선이라고 할 수 있다.

10.〔컴퓨팅〕양자 계산
새로운 알고리즘과 각종의 기법이 혁신적인 응용의 문을 연다
D. Gill (IBM 라서치)

양자컴퓨터에 의해 기존 컴퓨터로는 결코 해답을 구할 수 없었던 문제를 해결할 수 있는 돌파구가 열렸다. 예를 들어 화학특성을 정확하게 시뮬레이트(Simulate)하여 새로운 분자나 재료를 설계할 수 있을 뿐만 아니라, 많은 가능성으로부터 최적의 해를 찾아내는 ‘최적화 문제’를 풀 수 있게 되었다. 최적화 문제는 모든 산업에서 공통적으로 가지고 있는 과제이며, 양자컴퓨터 기술이 상당한 기대를 받고 있는 이유 중 하나도 그것을 풀 수 있기 때문이다.

양자컴퓨터는 양자역학의 힘을 이용하여 문제를 해결한다. 정답의 가능성을 한 번에 1개씩 고려하는 기존의 머신과는 달리, 양자컴퓨터는 고전적인 예시로는 설명할 수 없는 방식으로 해를 구한다. 존재하는 해를 모든 양자학적인 중첩에서 시작하여 ‘양자얽힘’과 ‘양자간섭’을 이용해 정답을 압축시킨다. 일상생활에서는 접하기 힘든 프로세스이다.

기대가 큰 만큼 실현은 어렵다. 초전도물질을 사용하는 일반적인 설계의 사례에서는 초전도물질을 우주 밖 온도의 100분의 1 이하라는 저온을 유지해야 할 필요가 있어, 그 까다로운 양자상태를 상세하게 제어함으로써 프로세서를 방해하는 한 줄기 빛도 들어오지 않게 철저히 차폐시켜야 한다. 최근까지 그런 시스템을 취급하는 것은 세계의 소수 시설의 전문가에게 한정되어 있었다. 그러나 과거 수년간의 발전으로 인해 세계 처음으로 시작기를 구축할 수 있게 되어, 지금까지 이론연구밖에 할 수 없었던 아이디어 및 알고리즘 등의 기법을 드디어 실제로 검증할 수 있게 되었다.

 -- 끝 --