트렌드 2020.10.15

전염병 확산을 예측하는 ‘수학적 모델링’

2020년 1년 동안 매일 빠짐없이 미디어에 오르내리는 주제는 코로나19와 관련한 소식이다. 덕분에 전 국민이 각종 전문 용어에 익숙해지게 됐는데, 그중 하나가 바로 ‘수학적 모델링’ 혹은 ‘수학 모델’이다. 의학이 아닌 수학 용어가 왜 갑자기 튀어나온 걸까. 국내외 학자들이 코로나19의 확산 추세를 분석하고 예측한 결과를 소개하면서 이 용어가 자주 언급됐기 때문이다. 하지만 익숙해진 만큼 수학적 모델링이라는  용어가 무엇이고 어디에 쓰이는지 제대로 아는 사람은 많지 않다. 다양한 분야에서 벌어지는 현상을 수학 언어로 설명하는 ‘수학적 모델링’ 언론을 통해 코로나19 확진자 수의 변화를 예측하는 수학적 모델링 연구가 많이 소개되기 때문에 많은 사람이 수학적 모델링을 감염병 연구에 쓰이는 수학적 기법이라고 생각할 수 있다. 하지만 그렇지 않다. 수학적 모델링은 자연과 사회, 기술 등 다양한 분야에서 벌어지는 현상을 수학이라는 언어로 설명하는 것을 말한다. ▲수학적 모델링의 아버지라 할 수 있는 ‘아이작 뉴턴’. 수학적 모델링의 역사는 16~17세기까지 거슬러 올라간다. 수학과 물리학, 천문학이 발전하면서 독일의 요하네스 케플러, 영국의 아이작 뉴턴 같은 학자들이 수학을 이용해 자연 현상, 특히 천체의 운동을 설명하고 예측하기 시작했다. 고등학교에서 배운 미적분학을 이용한 운동방정식이 바로 대표적인 사례다. 아이작 뉴턴은 천체가 운동하는 원리를 자신이 고안한 미분방정식으로 설명했고, 이를 통해 천체의 향후 움직임을 예측할 수 있었다. 이처럼 어떤 현상 혹은 시스템의 작동 원리를 수학적으로 기술하는 것을 수학적 모델링이라고 한다. ▲아이슈타인은 일반상대성이론을 통해 별과 행성의 중력이 시공간을 휘게 한다고 예언했다. (출처: 위키미디어) 2020년 노벨물리학상의 주인공인 ‘블랙홀’도 수학적…
더보기
트렌드 2020.10.06

트랜스포머 영화가 현실로 오다! 진화하는 ‘모듈형 로봇’ 기술

어린 시절 팔과 다리를 자유자재로 분리하고 합체 시킬 수 있는 ‘로봇’은 어린이날 선물로 인기 만점이었다. 이런 로봇의 인기는 ‘로봇 태권 V’에서 ‘또봇 V’, ‘로보카폴리’ 등으로 시대의 흐름에 따라 이름을 달리했다. 지난 2007년도에 개봉한 영화 ‘트랜스포머(Transformers)’는 자동차가 거대한 로봇으로 변신하는 모습을 실사화하며 유년 시절의 꿈을 완벽하게 소환해냈다. 이제 로봇은 장난감도, 영화도 아닌 실제가 됐다. 인공지능(AI), 사물인터넷(IoT), 가상 증강현실, 비전 센서 기술 등이 급격히 발달하며 필요 작업에 따라 스스로 결합하고 분리하며 다양한 형태로 변신하는 ‘모듈형 로봇’이 우리 곁에 현실로 나타났기 때문이다.   사람과 함께 행동한다! 스스로 분리하고 합체하는 모듈형 로봇이란? ‘모듈형 로봇’이란 일체형 로봇이 아닌 각기 다른 부분으로 조합해 하나로 합체된 형태의 로봇이다. ‘모듈(module)’이라는 말 자체가 연결할 수도 있고 분리할 수도 있다는 뜻이다. 모듈형 로봇은 어린시절 장난감 로봇처럼 분리하거나 결합하는 것이 가능하다. 최근 발전된 형태의 모듈형 로봇은 인공지능(AI) 기반의 자율로봇으로써 로봇 스스로 움직이거나 사람의 옆에서 함께 제품을 조립하는데 보조적인 역할을 수행할 수도 있다.   다양한 모듈형 로봇, 어떻게 활용될 수 있을까? ‘모듈형 로봇’은 다양한 형태로 우리 일상 속에 들어오고 있다. 모듈형 로봇이 가장 광범위하게 사용되고 있는 곳은 ‘스마트 공장’이다. 스마트 공장에서 모듈형 로봇은 사람들과 함께 일을 하고 있다. 과거 기계화 자동화된 공장에서 로봇은 자체적으로 움직이는 작업을…
더보기
불필요한 접촉은 가라! '비접촉 터치리스' 기술로 안전하게
트렌드 2020.09.18

불필요한 접촉은 가라! ‘비접촉 터치리스’ 기술로 안전하게

코로나19 대유행 이후, 사람들은 평범한 일상을 다시 생각하게 됐다. 언제 어디서 누구에게 바이러스가 옮을지 모르는 상황이 됐기 때문이다. 악수나 하이파이브 같은 인사, 승강기나 대중교통을 이용하는 일, 건물에 들어가기 위해 문을 여는 일, 밥 먹고 이야기하는 일이 모두 코로나19 바이러스에 걸릴 수 있는 위험한 일이 돼버렸다. 그 때문에 마스크를 쓰고, 사회적 거리두기 규칙을 만들어 지키고 있지만, 커지는 불안감을 다 막지는 못한다. 사람이 살면서 아예 타인을 만나지 않고 살 수는 없다. 이런 세상에서 호출된 기술이 ‘비접촉-터치리스(Touchless) 기술’이다. 물건이나 사람과 직접 접촉하지 않고, 공유 표면을 직접 만지지 않음으로써, 감염에 대한 우려를 줄일 수 있는 기술을 말한다. 크게는 NUI(Natural User Interface)를 위한 몸짓 및 음성 등을 인식할 수 있는 기술과 열 또는 이미지 등을 인식해 비접촉으로 작동하는 보안 기술, 로봇과 스마트폰을 이용한 자동화 기술로 나눠볼 수 있다. 여기에 더해 삼성페이 같은 모바일 결제나 사람이 대행하는 서비스를 합해서 말하기도 한다. 비접촉-터치리스(Touchless) 기술은 코로나19 때문에 널리 쓰이기 시작한 화상회의 서비스와 마찬가지로, 원래는 각기 다른 목적으로 개발된 기술이다. 그런 기술들을 안전한 생활 환경을 만들기 위해 한데 엮었다.     제스처 및 음성인식 기술 컴퓨터를 사용할 땐 키보드와 마우스를 이용한다. 만약 우리가 쓰는 모든 가전제품이나 가구에 인공지능이 내장된다면,…
더보기
트렌드 2020.09.01

잉크의 영역을 확장시켜주다! 전기가 통하는 ‘전도성 잉크’ 기술

기록은 인간의 본성과도 같다. 특별한 필기구가 없었던 시절부터 인류는 기록을 해왔다. 고대 인류는 날카로운 도구를 이용해 동굴 벽에 그림을 그렸고, 기원전 4000년과 2500년경에 이집트와 중국에서 잉크와 먹이 각각 발명된 뒤부터는 돌 뿐만 아니라 나무, 동물의 가죽, 종이 등 다양한 매체에 기록을 남겼다. 그리고 오늘날에는 전기가 통하는 전도성 잉크까지 나왔다. 과학자들은 이 전도성 잉크를 이용해 기록을 넘어 전자기기와 잉크의 영역을 디스플레이까지 확장하려고 시도하고 있다.   전자 잉크와 전도성 잉크 무엇이 다를까? 먼저 전도성 잉크에 대해 명확히 알 필요가 있다. 전도성 잉크를 전자 잉크로 착각하는 경우가 있기 때문이다. 전자 잉크는 전자책에 사용하는 잉크다. 액체 속 전기에 반응하는 검은색과 흰색(회색) 캡슐을 넣어 전기장의 방향에 따라 정렬이 달라지는 형태의 잉크다. 주로 전자책이나 일부 태블릿, 스마트폰의 디스플레이 용도로 사용한다.  ▲전도성 잉크를 활용한 페인팅 (출처: Bare conductive 유튜브 채널) 반면 전도성 잉크는 말 그대로 잉크 자체에 전기가 통하는 것을 말한다. 은이나 구리처럼 전기 전도도가 높은 물질을 섞어서 만들며, 그림처럼 그려서 원하는 형태의 전기 회로를 만들 수 있다는 장점이 있다. 전도성 잉크는 가격이 비싸고 내구성이 떨어지는 것이 단점으로 지적됐다. 은의 경우 가격이 비싸고, 구리는 공기에 노출되면 금세 산화되기 때문에 가격은 싸지만 쉽게 성능이 저하된다. 또 은보다 높은 온도에서 녹기 때문에 가공하기도 까다로웠다.   값싸고 튼튼해진 전도성 잉크 하지만 최근 이런 문제를 해결한 새로운 전도성 잉크가 속속 개발되고 있다. 한국전기연구원은 구리에 ‘그래핀’이라는 물질을 더하는 방식으로…
더보기
트렌드 2020.08.11

강한 로봇 하나보다 단순 로봇 여럿이 더 낫다? ‘군집 로봇 기술’

지난 2018년 2월 9일, 평창 올림픽 개막식을 지켜보던 시청자들은 멋진 풍경을 선물 받았다. 드론 1,218대의 군집 비행으로 만들어진 오륜기가 펼쳐졌다. 비록 라이브 이벤트가 아니라 녹화 영상이긴 했지만, 관계자들은 입을 다물지 못했다고 한다. 단 한 명의 엔지니어가 수많은 드론을 조종해 그런 모습을 연출했기 때문이다. 이렇게 단순한 여러 대의 로봇을 한꺼번에 움직이는 기술을 군집 로봇 기술(Swarm robotics, 떼 로봇공학)이라고 한다. ▲평창 동계 스포츠 축제에서 선보인 군집 로봇 기술을 활용한 드론쇼 (출처: 인텔 홈페이지) 로봇을 다루는 기술이지만, 그 뿌리는 군집 지능(Swarm Intelligence, 떼지능/무리지능)에 두고 있다. Swarm 이란 말이 벌 같은 곤충이 떼 지어 날아다니는 모습을 가리키는 것에서 알 수 있듯, 주로 흰개미 같은 사회성이 강한 곤충이나 생물이 집단으로 움직이는 모습에서 발견할 수 있는 지적 능력을 가리킨다. 집단의 사회적 구조와 상호작용 연구에 기반을 둔 인공지능을 부르는 말이기도 하다.   다양한 알고리즘을 가진 군집 로봇 개발 ▲군집 로봇 기술은 자연의 곤충과 동물 군집에서 아이디어를 가져왔다. 군집 로봇은 처음엔 이런 생물학 연구를 지원하고 검증하기 위해 쓰였다. 이 과정에서 거꾸로 군집 로봇을 제어할 수 있는 알고리즘이 만들어지게 된다. 벨기에 브뤼셀자유대 마르코 도리고 박사가 제안한 개미집단최적화 알고리즘이나, 제임스 케네디와 러셀 에버하트가 만든 입자 1군집 최적화 같은 알고리즘이 대표적이다. 로봇공학에서도 군집…
더보기
트렌드 2020.07.31

플렉시블 디스플레이에서 전기자동차까지! 4차 산업혁명 시대에 주목받는 ‘전고체 배터리’

2019년 삼성전자는 세계 최초의 접는 스마트폰 ‘갤럭시 폴드’를 출시해 전세계 소비자의 이목을 집중시켰다. 이 스마트폰은 화면을 접어서 쓴다는 점 때문에 역사에 중요한 획을 그었다. 디스플레이를 접어서 사용하는 것은 대중에게는 영화 속에서나 가능한 일이거나 미래의 일처럼 느껴졌기 때문이다. 화면이 접히는 스마트폰은 스마트폰 역사에서 혁신적인 변화지만, 사실 접는 것은 과도기적인 단계라고 할 수 있다. 궁극적인 목표는 자유자재로 휘거나 둘둘 마는 것이기 때문이다. 스마트폰을 접는 건 디스플레이와 기기의 일부만 휘게 만들면 되는 일이지만 어느 부위나 자유롭게 구부릴 수 있게 하려면 디스플레이 전부, 그리고 회로와 배터리까지 모두 휘어지게 만들어야 하는데 여간 어려운 일이 아니다. 특히 현재 모든 스마트폰이 사용하는 리튬이온배터리는 폭발 등의 위험 때문에 휘어지게 만들 수 없다. 결국 새로운 배터리 개발이 필요한데, ‘전고체 배터리’가 그 대안으로 떠오르고 있다.   전고체 배터리란? ▲리튬이온 배터리 VS 전고체 배터리 비교 (출처: 삼성SDI) 전고체 배터리는 쉽게 말해 전부 고체로 이뤄진 배터리를 말한다. 전부 고체여서 일부분이 액체인 리튬이온 배터리보다 자유롭게 모양을 만들 수 있고 휘어지게도 만들 수 있다. 애초에 배터리를 전부 고체로 만들면 되지 않느냐고 생각할 수 있지만 ‘일부 액체’에서 ‘전부 고체’로 가는 기술적인 장벽이 크기 때문에 지금까지는 전고체 배터리를 상용화하지 못했다. 전부 고체라는 말의 의미를 이해하려면 먼저 배터리의 원리를 알아야 한다. 배터리는 기본적으로 물질이 가지고 있는 산화 환원 경향 차이를 이용해 전류를 흘려보내는 장치로,…
더보기
트렌드 2020.07.29

우리 대신 맛보는 기술! ‘전자혀’

조선 시대 임금이 먹던 음식을 수라라고 한다. 잘 차려진 밥상을 보고 ‘수라상 같다’라고 하는 말이 여기서 나왔다. 좋은 재료를 써서 숙련된 주방 상궁이 만들지만, 임금이 바로 먹지는 못한다. 기미 상궁이 은수저로 먼저 맛보고, 독이 있는지 아닌지 판단한 다음에야 먹을 수 있다. 21세기에 사는 우리는, 어쩌면 모두 임금님 자리에 앉을 수 있을지도 모른다. 우리 대신 먼저 맛을 봐줄, 전자 혀가 있기 때문이다.   인공 세포막을 통해 다섯 가지 기본 맛을 판별해내는 센서 ‘전자혀’ 전자혀는 맛을 측정하고 수치화해서 비교/평가하는 기기다. 우리가 혀에 있는 1만여 개의 미뢰를 통해 맛을 느끼는 것처럼, 전자혀는 미각 센서를 통해 맛을 느낀다. 우리 혀가 느끼는 단맛, 짠맛, 신맛, 쓴맛, 감칠맛을 센서를 통해 감지해, 숫자로 바꾼다. 쉬워 보이지만 아직 제대로 구현되진 못했다. 당도계나 염도계처럼 특정 성분량을 재는 기기는 있지만, 사람 같은 전자혀는 아직 나오지 않았다. 시/촉/청각 기술과는 다르게, 미각은 후각과 함께 천천히 발전하고 있는 감각 기술이다. 왜 그럴까? 분명히 혀는 다섯 가지 맛을 느끼지만, 우리 뇌에서 느끼는 맛은 종합 예술에 가깝다. 재료, 냄새, 씹히는 느낌, 먹는 순간의 분위기 등이 모두 조합된 결과다. 특히 후각이 중요한 역할을 한다. 맛을 내는 물질도 수도 없이 많다. 심지어 어떤 맛은 미뢰에서 느끼지도 않는다. 매운맛은 통각으로 분류되고, 떫은맛은 혀의 상태에서 비롯된다. 이 모든 게 어떻게…
더보기
동물의 우수한 특성을 닮다! 진화하는 생체모방 기술, '동물형 생체모방 로봇'
트렌드 2020.07.17

동물의 우수한 특성을 닮다! 진화하는 생체모방 기술, ‘동물형 생체모방 로봇’

인류는 자연을 닮은 기술을 끊임없이 연구해왔다. 원시인들이 사용했던 창이나 칼 등의 무기는 날카로운 발톱과 이빨을 가진 맹수들에게 영감을 얻은 것이다. 고대 그리스인들은 물고기의 날카로운 등뼈를 보고 톱을 만들었다. 거미가 먹이를 포획하는 모습을 보고 거미줄을 지혈하는 데 사용하기도 했다. 왜 인간은 자연을 닮은 기술을 연구할까? 답은 바로 ‘생존경쟁에서 살아남은 생물체들이 지닌 우수한 특성’ 때문이다. 인류는 각기 생물들이 척박한 자연환경 속에서 생존할 수 있었던 특징을 연구함으로써 인간에게는 없는 부분을 보완할 수 있게 됐다.   동물의 우수한 특성을 닮은 생체모방 로봇 ‘생체모방(Biomimetics)’이란 다양한 생물의 특성이나 구조 등을 모사한 기술을 뜻한다. 생명을 뜻하는 ‘바이오(Bio)’와 모사, 모방을 의미하는 ‘미메틱(mimetic)’라는 단어를 합성한 용어다. 최근 과학계에서는 로봇에 생체모방 기술을 적용하는 연구가 활발하다.  ‘생체모방 로봇(Biomimetric Robot)’은 인간이 가지고 있지 않는 자연의 생존력과 효율성, 장점 등을 로봇으로 구현한 것이다. 생체모방 로봇에는 동물들이 오랜 시간 축적해온 자신만의 ‘생존 비법’이 담겨있다고 할 수 있다. 생체모방 동물 로봇에 대표적인 동물은 바로 ‘뱀’이다. 뱀은 생체모방 로봇에 기본이 되는 동물이다. 물속을 자유롭게 이동하는 수륙양용 로봇이나 팔 형태의 로봇(robot arm) 등 뱀의 이동성을 모방한 뱀 로봇은 다양하다. 뱀 로봇은 갈라진 틈이나 좁은 길, 울퉁불퉁한 표면을 쉽게 이동할 수 있어 구조 대원이 진입하기 어려운 붕괴된 건물 안이나 파열된 상하수도 배관 등 재해 현장에서 활용할 수 있다. 멕시코시티에서는 지난 2017년 지진 구조 현장에 뱀 로봇을 투입하기도 했다. ▲왕 뱀의…
더보기
트렌드 2020.06.16

균열이나 손상된 기능을 스스로 회복한다! ‘자가 치유 고분자’ 화학 신소재

1991년에 개봉한 영화 ‘터미네이터 2’를 본 사람이라면 주인공을 암살하기 위해 미래에서 온 로봇과의 마지막 대결 장면을 기억할 것이다. 아무리 총에 맞아도 곧바로 치유되는 무시무시한 로봇을 가까스로 물리치는 해당 장면은 영화의 하이라이트였다. 특히 불사조 같은 악당 로봇 T-1000은 이후 시리즈에도 모습을 바꿔 계속 등장할 만큼 관객들의 뇌리에 깊은 인상을 남겼다. ▲로봇의 자가 치유 능력을 보여준 ‘터미네이터 2’의 T-1000 (출처: 트라이스타픽처스) 영화가 과학자들에게 영감을 준 것일까. T-1000의 ‘자가 치유’ 개념은 과학자들의 연구에도 영향을 미쳤다. 2000년대부터 자가 치유 물질이 속속 개발되기 시작한 것이다. 자가 치유 물질은 말 그대로 균열이나 손상된 기능을 스스로 치료하는 물질을 말한다. 처음에는 고분자 화합물 중심으로 개발되더니, 최근에는 세균을 이용해 스스로 콘크리트의 균열을 메우는 바이오 콘크리트까지 개발되고 있다.   회복 캡슐에서 회복 기능 탑재한 고분자까지 ▲자가 치유 플라스틱 (출처: whitegroup.beckman.illinois.edu) 초창기 개발된 자가 치유 고분자 물질은 ‘마이크로캡슐’을 이용하는 경우가 많았다. 2001년 스콧 화이트 미국 일리노이주립대 항공우주공학과 교수팀이 처음 개발한 방식이다. 액체 화합물을 머리카락 굵기 정도로 작은 다량의 캡슐에 넣고, 이를 다시 플라스틱과 섞어 굳힌 형태다. 플라스틱에 균열이 생기면 캡슐에서 화합물이 새어 나와 빈틈을 메운다. 당시로선 획기적인 발명이었지만 캡슐이 일회용이라 똑같은 부위에 균열이 생기면 속수무책이라는 단점이 있었다. 그래서 최근에는 물체에 자가 치유 물질을 공급하는 통로를 만들어 계속 ‘리필’해주는 방식이 도입됐다. ▲ 자가치유 소재를 자르고 다시 붙인 60초 후,…
더보기
트렌드 2020.06.11

120Km 배송? 30분이면 충분! 장거리, 고속 배송이 가능한 차세대 드론

최근 정부는 오는 2025년부터 서울과 인천공항 등 수도권 지역을 이동할 때 하늘길을 날아다닐 수 있는 ‘드론 택시’ 서비스를 시작하겠다고 발표했다. 정부는 드론 택시 서비스가 본격적으로 시작되면 교통 정체로 인한 이동 효율성 저하와 물류 운송 등 사회적 비용을 70%까지 절감할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 놀라운 점은 드론 택시처럼 사람이 드론에 탑승해서 이동을 한다는 것이 불과 얼마 전까지만 해도 먼 미래 같아 보였다는 점이다. 사람을 태울 수 있을 만큼 크고 안전한 드론이 개발되지 못했다는 점이 첫 번째 이유이고, 물건을 배송하더라도 반드시 드론을 활용해야만 할 필요가 없다는 점이 두 번째 이유다. 그랬던 드론의 위상이 코로나19 사태로 인해 크게 주목받고 있다. 전염병 유행으로 인해 격리되는 가정이나 지역이 늘어나고 있고, 사회적 거리두기로 인해 비대면 접촉이 우선시 되면서 드론이 배송 시스템으로 각광받게 된 것이다.   이에 따라 현재 운행 중인 중소형 드론과는 비교할 수 없을 정도로 크고, 멀리 비행할 수 있는 형태의 드론에 대한 관심도 높아지고 있다. 특히 세계적 물류 운송 업체인 UPS는 독일 드론 개발 전문 스타트업인 독일의 ‘윙콥터(Wingcopter)’ 와의 제휴를 통해 새로운 형태의 운송 및 배송 전문 드론을 개발하고 있어 주목을 끌고 있다.   코로나19 사태로 인해 주목받는 드론 산업 ▲아프리카 르완다, 가나 등 에서 의약품 드론 배송 서비스를 제공하는 ‘집라인’ (출처: 집라인) 미국에서는 코로나 바이러스 감염으로 격리 중인 사람들을 위해 드론을 이용하여 다양한 생필품 및 약품을 전달하면서 호평을 받은 바 있다. 대표적으로는 미국…
더보기