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기계 고제성 교수팀, 소금쟁이과 곤충 움직임 메커니즘 밝혀 '초소형 로봇' 제작

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기계 고제성 교수팀, 소금쟁이과 곤충 움직임 메커니즘 밝혀 '초소형 로봇' 제작

- <사이언스(Science)> 8월호 표지논문 게재 - 김동진 박사 제1저자, 김창환 박사과정생 공동저자로 참여 아주대 연구팀이 물 위에서 자유자재로 움직이는 곤충 부채다리 소금쟁이를 모사한 초소형 로봇을 세계 최초로 개발했다. 곤충의 기동 메커니즘 연구를 기반으로 한 생체 모사 로봇으로, 해당 내용은 글로벌 학술지 <사이언스(Sceince)>의 8월호 표지논문으로 실렸다. 고제성 교수(기계공학과) 연구팀은 물 위에서 초고속 기동을 펼치는 소금쟁이과 곤충 라고벨리아(Rhagovelia)의 기동 원리를 밝혀내고 이를 모방한 초소형 반수생 로봇을 개발했다고 밝혔다. 해당 내용은 ‘초고속 탄성-모세관 팬을 통한 반수생 곤충과 로봇의 민첩한 기동 제어(Ultrafast elastocapillary fans control agile maneuvering in ripple bugs and robots)’라는 제목으로 글로벌 학술지 <사이언스(Science)> 8월호에 표지논문으로 게재됐다. 아주대 기계공학과 김동진 박사후연구원(위 사진 제일 왼쪽)이 제1저자로, 김창환 박사과정생(위 사진 가운데)이 공공저자로 참여했고 고제성 교수(위 사진 제일 오름쪽)가 교신저자로 함께 했다. 미국 조지아공과대학(Georgia Institute of Technology) 사드 밤라(Saad Bhamla) 교수와 캘리포니아대학버클리(UC Berkeley) 빅터 M. 오르테가-히메네스(Victor M. Ortega-Jimenez) 교수도 함께 참여했다. 아주대 연구팀은 생물을 모사한 로봇의 개발을, 조지아공대·캘리포니아대버클리 연구팀은 생물의 기동 메커니즘 연구를 맡았다. 소금쟁이과 곤충 라고벨리아(Rhagovelia)는 다리의 부채꼴 구조를 이용해 흐르는 물살에도 빠르게 나아가고 급회전을 구사하는 등 민첩하게 움직일 수 있다(0.05초 만에 최대 96도 급선회). 하지만 이러한 기동 메커니즘에 대해서는 그동안 명확하게 밝혀진 바가 없었다. 기존 연구에서는 라고벨리아 다리 끝에 부착된 부채 형태의 납작한 끈 구조가 라고벨리아의 근육에 의해 작동하는 것으로 파악해 왔으나, 아주대 공동 연구팀은 근육 에너지에 대한 의존 없이 수중 환경과의 상호작용으로 인한 움직임이라는 점을 규명해냈다. 이번 연구에 따르면 라고벨리아의 초고속 기동은 ‘탄성-모세관 현상’에 의한 것으로, 이 현상은 얇고 유연한 구조가 물의 표면장력과 탄성으로 인해 빠르게 변형되는 물리적 메커니즘이다. 라고벨리아 다리 끝의 부채꼴 구조가 물속에 들어가면 0.01초 이내에 스스로 펼쳐지고, 물 밖에서는 곧바로 접히는 것이 바로 물의 표면장력과 부채꼴 구조라는 유연한 물질 사이의 섬세한 상호작용이라는 것. ‘탄성-모세관 현상’은 거시적 구조의 분석에서는 간과되거나 무시되지만, 작은 크기 곤충의 움직임 같은 규모의 분석에서는 중요한 역할을 한다. 공동 연구팀은 새롭게 발견한 기동 메커니즘을 모방해 무게 1mg의 초경량 인공 팬(fan)을 개발하고, 이를 장착한 0.23g의 초소형 로봇 ‘라고봇(Rhagobot)’을 구현해냈다. 이 초소형 로봇은 형상기억합금 기반 17mg의 인공 근육 구동기도 장착하고 있어, 기존의 반수생 로봇들보다 더욱 민첩하게 제동하고 방향을 바꿀 수 있다(1초 만에 206도 회전 가능). 기존의 초소형 로봇 연구는 곤충의 다리 구조나 근육 기반 메커니즘에 의존, 표면장력을 무시하거나 최소화할 수 있는 방향으로만 설계되어 실제 곤충 수준의 속도 조절과 제동·회전 등 복잡한 기동 구현에 한계를 보였다. 그러나 아주대 공동 연구팀은 자연계 자기형상변화(self-morphing) 구조의 원리 규명을 통해 로봇의 추진력을 효율적으로 발생시킬 수 있었다. 이번 연구를 주도한 아주대 고제성 교수는 “자연계 곤충이 가진 구조적 지능(embodied intelligence)을 활용해 물리적 구조·재료적 특성이 환경과 상호작용하면서 자연스럽게 발현될 수 있도록 구현해냈다는 점에서 의미 있는 연구”라고 말했다. 고제성 교수는 이어 “앞으로 급류 환경에서의 환경 모니터링과 재난 탐사 및 구조 활동뿐 아니라 물의 계면이 존재하는 뇌 등 생체 내 환경에도 적용될 수 있을 것으로 기대한다”라고 덧붙였다. 우리 학교 기계공학과 고제성 교수는 앞서 박사과정부터 15년여간 소금쟁이를 비롯한 곤충 등 자연을 모사한 소형 로봇 연구에 매진해왔다. 지난 2017년 우리 학교에 임용된 고제성 교수의 지도로, 아주대 기계공학과에서 학사-석사-박사를 마치고 현재 박사 후 연구원으로 재직 중인 김동진 박사가 이번 연구에 주도적으로 참여해, 제1저자로 이름을 올렸다. 공동저자로 기여한 김창환 박사과정생 역시 아주대 기계공학과에서 학업을 시작하고 이어왔다. 김동진 박사는 “이번 연구에 참여해 실제 로봇의 기능을 완성하는데 4년에 가까운 시간이 필요했고, 1만 번 이상의 실패가 이어졌다”며 “앞으로도 세상에 없던 새로운 것을 만들고, 사람들과 사회에 도움이 되는 연구를 하고 싶다”라고 전했다. 이번 연구는 한국연구재단의 우수신진연구, 기초연구실사업과 아주대학교 교내 연구비 지원을 받아 수행됐다. (위) 라고벨리아 곤충의 모습. (아래 왼쪽) 아주대 연구팀이 개발한 소형 로봇과 (아래 오른쪽) 약 1mg의 무게, 21개 끈 형태의 털로 구성된 자가변형 인공 팬(fan) 8월22일 공개된 <사이언스(Science)> 표지. 아주대 국제 공동 연구팀의 연구 내용이 담겨 있다_제공 사이언스(Science) # 관련 영상 보기 : YTN사이언스 소금쟁이 본뜬 초소형 로봇 개발, 수면 위 이동 원리 규명
노고에 감사합니다- 정년퇴임 교원 기념식

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노고에 감사합니다- 정년퇴임 교원 기념식

2025학년도 1학기 정년을 맞이하는 퇴임 교원들에 대한 환송행사가 마련됐다. 지난 12일 율곡관 제1회의실에서 열린 행사에는 정년퇴임을 앞둔 기계공학과 윤백 교수와 수학과 전영목 교수, 최기주 총장과 한호 교무부총장을 비롯한 아주가족이 참석했다. 참석자들은 축하와 감사, 응원을 담은 영상을 함께 보고 소회를 나눴다. 감사패와 선물을 전달하는 시간도 마련됐다. 2025학년도 1학기를 마지막으로 아주 강단을 떠나는 교원은 총 4인으로 ▲윤백 기계공학과 교수 ▲전영목 수학과 교수 ▲윤원식 전자공학과 교수 ▲이병덕 경영학과 교수다. 최기주 총장은 “오랜 시간 동안 교육과 연구에 매진, 아주대의 발전에 기여해주신 교수님들의 노고에 감사의 말씀을 전한다”며 “앞으로도 학교에 대한 많은 관심과 사랑을 부탁드린다”라고 전했다. * 위 사진 왼쪽부터 장우진 교무혁신처장, 박장호 공대학장, 최기주 총장, 전영목 교수, 윤백 교수, 안영환 자연과학대학장, 한호 교무부총장 기계공학과 윤백 교수와 최기주 총장 수학과 전영목 교수와 최기주 총장
물리·생명 연구팀, ‘빛의 산란’ 光기술로 미생물 성장 고속·정밀 측정 길 열어

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물리·생명 연구팀, ‘빛의 산란’ 光기술로 미생물 성장 고속·정밀 측정 길 열어

아주대 연구진이 ‘빛의 산란’을 활용한 광기술을 통해 미생물의 활성과 성장을 정밀하게 측정할 수 있는 기술을 개발했다. 이 기술을 이용하면 항생제 효과의 빠른 진단이 가능해 세균 감염 치료의 효율성을 높일 수 있을 전망이다. 물리학과 윤종희 교수와 생명과학과 이창한 교수 공동 연구팀은 빛의 산란 특성을 활용해 정밀하고 빠른 항생제 효과 진단 기술을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구 내용은 ‘레이저 스페클 영상을 통한 빛의 산란 기반 빠른 항생제 효과 검출 기술(Light scattering-based screening method for rapid evaluating antibiotic effects on bacteria using laser speckle imaging)’이라는 제목으로, 저명 학술지 <저널 오브 바이올로지컬 엔지니어링(Journal of Biological Engineering)> 7월호에 게재됐다. 아주대 대학원 에너지시스템학과의 김동혁 석사과정생과 생명과학과의 문성준 석박사 통합과정생이 제1저자로 참여했고, 아주대 생명과학과 이창한 교수와 물리학과 윤종희 교수는 공동 교신저자로 함께 했다. 아주대 대학원 에너지시스템학과 이종서 석사과정생과 산학 공동 연구를 수행하고 있는 기업 ㈜더웨이브톡의 조경만 대표도 공동 저자로 참여했다. 항생제는 세균 감염에 의한 질병을 치료하기 위해 널리 사용되는 약물로, 미생물을 죽이거나 성장 및 번식을 억제하는 방식으로 질병을 치료한다. 항생제는 어떤 종류의 세균에 효과적인지, 어떻게 세균에 작용하는지 등에 따라 여러 종류로 나뉜다. 항생제를 이용해 치료하기 위해서는 감염 부위의 세균이 특정 항생제에 대해 얼마나 민감한지 혹은 내성을 가지고 있는지를 평가해야 하며, 이를 통해 감염을 효율적으로 억제하고 항생제 오·남용으로 인한 내성 문제를 예방할 수 있다. 현재 항생제의 효과 진단에는 여러 방법이 있으나, 그중 ‘항생제 디스크 확산법(Disc diffusion method)’이 항생제에 의한 세균의 성장 억제를 눈으로 직접 확인할 수 있어 가장 많이 활용되고 있다. 이 방법을 활용하면 직관적으로 항생제 효과를 확인할 수 있지만, 24~48시간의 배양 시간이 필요해 빠른 항생제 처방이 어렵다는 한계가 있다. 항생제 처방이 늦어지면 치료에 효과적으로 대응하기 어렵기 때문에, 특히 패혈증(Sepsis)과 같이 빠른 치료가 필요한 상황에서는 항생제 디스크 확산법의 활용이 쉽지 않다. 이에 환자가 감염된 세균에 효과적으로 대응할 수 있는 항생제를 빠르게 선별할 수 있는 기술이 필요하다. 그동안 여러 생화학적 방법이 개발되어왔으나, 실제 임상 현장에서 널리 효과적으로 사용되는 방법은 매우 제한적인 상황이다. 특히 의료 현장에서는 여러 항생제를 빠르게 확인해야 하기 때문에 비용과 검사 시간 등의 현실적 문제를 고려하지 않을 수 없고, 이에 실제 적용 가능한 새로운 기술을 개발하는 데 어려움을 겪어 왔다. 항생제 선별 기술 중 ‘빛의 산란’을 활용한 레이저 스페클 영상(laser speckle imaging) 기술은 비침습적이고, 기존 빛의 세기를 측정하는 영상 기반 방식에 비해 민감도가 높다. 이에 이 기술을 활용한 ▲혈류 특성 확인 ▲액체 내 이물질 검사 등의 의생명 응용 연구가 많이 이뤄져 왔다. 덕분에 여러 의미 있는 연구 결과가 나왔지만, 실제 의료환경에 적용할 수 있는 항생제 효과 진단 광기술은 여전히 매우 제한적이다. 항생제 효과에 의해 달라지는 세균의 활성도 변화나 성장 억제를 정밀하게 측정해 기존의 방법보다 빠르게 그 효과를 진단할 수 있어야 실제 의료환경에 도입이 가능하기 때문이다. 아주대 연구팀은 이러한 점에 착안해 빛의 산란 기반 항생제 효과 진단 기술 개발에 나섰다. 레이저 스페클 영상(laser speckle imaging)은 빛의 세기 정보를 측정하는 것이 아니라, 매질 내 발생하는 빛의 산란에 의해 상쇄 및 보강 간섭이 일어나 발생하는 레이저 스페클을 측정하는 기술이다. 매질 내의 작은 변화가 산란 특성을 크게 변화시키기 때문에, 레이저 스페클 영상은 더욱 정밀하게 대상의 정보를 측정할 수 있다. 앞서도 레이저 스페클 영상 기술을 항생제 효과 진단에 활용하려는 시도는 이뤄졌으나, 고정된 위치에서 한 샘플의 레이저 스페클 영상을 촬영해야 하기 때문에 여러 샘플을 동시에 측정해야 하는 실제 의료환경에 적용하기 어렵다는 문제가 있었다. 아주대 연구팀이 연구해온 레이저 스페클 영상 기술을 통한 항생제 효과 조기 진단 기술 모식도. 미생물의 활성에 따라 변화하는 스페클 정보를 통해 항생제 효과를 진단할 수 있다 아주대 연구팀은 이러한 한계를 돌파하기 위해, 광학 디퓨저를 활용하여 여러 스페클 조명을 만들고, 수초 내 영상 촬영만으로 미생물의 활성을 파악할 수 있는 기술을 개발했다. 이를 통해 항생제 효과에 의해 미생물의 활성이 억제되는 영역을 정확히 측정하고 3시간 이내 항생제 효과를 진단할 수 있음을 확인했다. 물리학과 윤종희 교수는 “이번에 개발한 레이저 스페클 영상을 통해 미생물 배양 후 3시간 만에 항생제 효과를 진단할 수 있다”며 “세균에 감염된 환자들의 효과적 치료에 많은 도움을 줄 수 있을 것”이라고 말했다. 윤 교수는 이어 “빛의 산란 특성은 미생물 종류에 영향을 받지 않기 때문에 다양한 종류의 미생물과 항생제 효과 진단에 적용이 가능하다”라며 “앞으로 그 응용 범위가 더 넓어질 것으로 기대한다”라고 덧붙였다. 해당 기술은 아주대 연구팀과 산학 공동 연구를 수행 중인 ㈜더웨이브톡에 기술이전되어, 실제 의료환경에 필요한 장비로의 개발이 진행되고 있다. 이번 연구는 한국연구재단의 우수신진연구사업, G-LAMP 사업, LINC 3.0 사업, 중견연구자지원사업과 정부(과학기술정보통신부, 산업통상자원부, 보건복지부, 식품의약품안전처)의 재원으로 범부처전주기의료기기연구개발 사업단의 지원(RS-2020-KD000050)을 받아 수행됐다. * 상단 이미지 : 레이저 스페클 영상을 통한 항생제 효과 조기 진단 결과. (맨 윗줄) 24~48시간의 세균 배양 시간이 필요했던 기존의 방법에 비해 (아래 세줄) 이번 연구 결과에서는 매우 빠른 시간(3시간) 안에 항생제 효과에 의해서 미생물 활성이 억제되는 영역을 확인할 수 있다. 시간이 지나면서 둥그런 바깥 원이 선명해지는 쪽이 항생제 효과를 보이는 경우다. 세균 주위로 박테리아 자라지 못해 경계가 더 잘 드러난다.