AI/로봇·드론/VR·AR

Nikkei Monozukuri_26.06호 (p13~15)

바이오 연구를 피지컬 AI로 자동화
실험자는 양팔 로봇, 도쿄과학대학에 새로운 거점 마련

양팔 로봇이 한 손에 마이크로피펫을 들고 PCR 검사 및 세포 배양을 실시한다. 2010년대부터 로봇을 중심으로 활성화되기 시작한 연구실 자동화(Laboratory Automation, LA)가 최근 피지컬 AI의 발전으로 더욱 가속화될 전망이다.

도쿄과학대학교는 올 4월, 유시마(湯島)캠퍼스(도쿄)에 '로봇미래창조센터'를 설치했다. 양팔 로봇 등 10대가 현재 가동 중이며, 로봇을 활용한 LA 연구 거점으로는 ‘세계 최대 규모’라고 한다. 야스카와전기(安川電機)의 자회사인 RBI(Robotic Biology Institute, 도쿄)가 같은 층에 입주, 바이오 연구에 특화된 양팔 로봇 '마호로(まほろ)'를 운용하고 있다.

-- 목표는 2,000대로 실험을 자동화 --
로봇미래창조센터의 역할은 크게 두 가지이다. AI와 로봇을 활용한 차세대 자동화 기술 개발과 로봇을 사용한 바이오 연구 실험실로서의 운용이다. 자동화를 담당하는 로봇 자체의 견고성과 기능성을 높이면서 이미 확립한 자동화 기술로 신약 개발과 암 연구 등 바이오 연구 자체도 가속화해 나갈 방침이다.

로봇미래창조센터의 나카야마(中山) 센터장은 "구 도쿄공업대학과 구 도쿄의과치과대학의 통합 이전부터 구상을 추진해 왔다. 도쿄과학대학에 있어 의∙공학 연계의 상징이 될 것"이라고 강조한다.

장기적으로는 연구 아이디어를 전송하면 로봇이 모든 것을 자동으로 실험하는 구상을 그리고 있다. 2028년에는 약 20억 엔을 투입해 피지컬 AI를 도입한 신형 로봇을 포함해 20대의 로봇을 가동할 예정이다. 2040년에는 AI에 의한 바이오 연구의 완전 자동화·자율화를 실현하여 로봇 2,000대가 바이오 연구를 위해 24시간 가동되는 거대한 로봇 센터 구축을 목표로 하고 있다.

마호로를 이용한 바이오 연구의 자동화는 2015년경에 이미 확립되어 있었다. 이른바 산업용 로봇에서 주류인 '티칭 플레이백(Teaching Playback) 방식(사람이 로봇에게 직접 동작을 가르치고 로봇이 이를 기억하고 그대로 재생하여 작업을 실시하는 산업용 로봇 제어 방식)'을 채택한 규칙 기반의 제어이다. 미리 가르쳐 준 동작은 충실히 재현할 수 있다.

반면, '뚜껑이 열리지 않는다'와 같은 예측하지 못한 사태에 대해 현행의 마호로가 대응하기는 어렵다. 로봇 팔 근처에 레이저 센서가 갖추어져 있지만, 어디까지나 '지시대로 실행되었는가'를 확인하는 데 사용된다.

이러한 예측 불가능한 요소가 많은 환경 조건에 대해 로봇미래창조센터는 피지컬 AI로 대응해 나갈 방침이다. 영상 정보를 기반으로 새로운 동작 경로를 생성할 수 있는 AI를 결합하면 동작의 안정성은 보다 높아질 수 있다.

-- '피펫 노예'에서 연구자를 해방 --
AI와 마호로를 활용한 연구에서는 이미 성과가 나오고 있다. 예를 들어, 도쿄과학대학 난치질환연구소 로봇과학분야의 간다(神田) 교수 연구팀이 실시한 iPS 세포에서 망막색소상피세포(RPE 세포)로 분화하기 위한 최적의 조건을 찾는 실험이다.

실험의 흐름은 우선 48세트의 배양 조건을 바탕으로 세포 분화 실험을 마호로가 자동으로 실시. iPS 세포에서 RPE 세포로의 분화에 성공하면 갈색으로 변색되기 때문에 변색 정도를 통해 조건 별 분화 유도 효율을 평가할 수 있다. 이 평가값을 참고해 AI가 최적의 배양 조건을 제안하고, 다시 마호로가 실험을 진행한다.

이 사이클을 4개월 정도 반복한 결과, 분화 유도 효율이 90% 이상의 최적 조건을 약 2억 가지의 배양 조건 조합 중에서 도출해내었다. 이 기간 동안 실험이나 조건 탐색에 사람이 개입한 적은 거의 없었다고 한다.

바이오 계열 연구는 세포 배양이나 특정 성분 추출, 샘플 조제 등 사람이 담당해야 하는 작업이 많다. 실험에만 시간을 빼앗겨 논문을 쓰지 못하는 연구자를 빗대어 '피펫 노예'라는 속어가 있을 정도이다. AI와 로봇을 조합해 번거로운 작업을 대체할 수 있게 되면 연구자는 연구 아이디어 구상에만 집중할 수 있다.

2,000대의 로봇으로 실험을 집약하는 로봇 센터 구상 역시 연구자가 아이디어 제시나 고찰에 집중할 수 있도록 하려는 의도가 있다. 나카야마 센터장은 "피펫 노예가 되기 싫어 젊은 세대 연구자들이 연구 현장을 기피하는 풍토도 바뀔 것이다. 아이디어를 로봇 센터에 보내면 자동으로 실험을 수행하고 결과 데이터를 연구자에게 보내주는 세상을 만들고 싶다. 실험 과학의 산업혁명을 일으켜 일본의 세계 최고의 과학력을 되찾겠다"라고 말한다.

-- 역할별로 셀을 구축 --
로봇미래창조센터는 이미 가동되고 있으며, 10대의 로봇 중 7대의 마호로가 신약 개발과 암 등의 바이오 연구에 참여하고 있다. 역할별로 로봇과 관련 주변 장치를 한데 모은 '셀'이 구축되어 있다.

예를 들어, '세포 배양'에 특화된 셀의 경우, 대형 인큐베이터가 로봇 주변에 배치되어 있다. 6~24개의 구멍이 있는 멀티웰 플레이트(여러 개의 작은 구멍이 배열된 세포 배양용 플레이트)를 120개 사용해 배양하고 있다고 한다. 이 밖에도 '게놈 실험'의 경우에는 PCR 검사용 기기나 현미경, '샘플 조제'의 경우, 원심분리기 등이 로봇 주변에 설치되어 있다.

구성 기기를 바꿔 로봇의 역할이 고정되지 않도록 한 이유는 세밀한 요구에 대응하기 위해서이다. ‘분석은 별도로 할 테니 세포 배양만 자동화하고 싶다’, ‘어떻게든 샘플을 늘리고 싶다’와 같은 요구에 특화된 로봇으로 대응한다. 물론 세포 배양과 게놈 실험을 모두 담당하는 '하이브리드 셀’도 있어 ‘배양부터 게놈 실험까지 한번에 하고 싶다’와 같은 요구에도 대응할 수 있다.

로봇을 이용한 완전 자동화는 아직 진행 중이다. 폐액 처리나 소모품 보충 등, 셀 내의 로봇을 관리하는 일은 여전히 사람이 담당해야 한다. 로봇미래창조센터는 이 자동화에 대해서도 휴머노이드 로봇 등으로 대체할 수 있을 것으로 보고 구매를 검토 중이라고 한다.

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Nikkei Monozukuri_26.06호 목차

도전자
‘공기를 자원으로’라는 신념의 결실인 MOF
교토대학의 기타가와 연구추진담당이사·부총장

뉴스 심층
바이오 연구를 피지컬 AI로 자동화, 실험자는 양팔 로봇, 도쿄과학대학에 새로운 거점 마련
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Part 3. 소프트웨어 절감
베이스 사양과 개별 사양으로 나누어 개발, 종류를 줄여도 제품 경쟁력은 상승
Part 4. 전문가가 보는 AREA35, 도쿄대학 후지모토 명예교수·제조 개선 네트워크 대표이사
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Part 4. 전문가가 보는 AREA 35
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SDA의 흐름을 느꼈다

편집부가 추천하는 한 권
기자가 본 닛산 부활의 필수 조건

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