포켓PC ‘스마트 커뮤니케이터’
휴대용 “스마트 커뮤니케이터”는 지금의 최신 데스크탑 컴퓨터와 맞먹는 기억 및 처리 성능을 발휘하게 될 것이다. 이 가상의 랩탑은 손바닥 크기 만하다.
::스마트 커뮤니케이터라 불러다오. 오늘날의 PDA(노트북, 스케줄러, 일정표, 주소록)는 몇 년 내에 초소형화될 것이다. 18개월마다 데이터 저장 밀도가 두 배로 발전한다는 변형된 무어의 법칙에 따르면 차세대 스마트 커뮤니케이터는 250GB에 달하는 저장 용량을 가지게 된다. 이는 55편의 영화를 저장할 수 있는 용량이다. 비디오는 (디스플레이와 저장에 있어서 모두) 실로 대단한 발전을 보이게 될 것이다.
SideKick이라는 PDA를 만드는 데인저 연구소의 사장 행크 노스하프트는 그러한 발전이 가능한 이유를 “앞으로 디스플레이 기술에 있어서 괄목할 만한 도약이 있을 것이기 때문”이라고 말한다. 이제 전원을 많이 소모하는 LCD에게 작별을 고하자. 그리고 스마트 커뮤니케이터의 에너지 효율이 높은 OLED를 만나자. OLED는 전기가 통하면 빛을 내는 유기 물질을 사용하기 때문에 백라이트를 사용할 필요가 없다. 일부 휴대 전화에 이미 사용되고 있는 OLED는 LCD보다 더 넓은 화면과 빠른 재생율을 제공하여 게임에서 업무 관련 그래픽에 이르기까지 모든 화면의 화질을 향상시킨다.
비약적 발전을 이루게 될 또 다른 한 가지는 고속의 무선 연결 기능이다. 400Kbps의 데이터 전송 속도가 표준 전송 속도로 자리잡게 되면서 고품질의 스트리밍 비디오가 실현된다. 30피트 범위 내에서 사용되는 무선 기술인 블루투스가 스마트 커뮤니케이터상에서 원격 키보드와 디스플레이 장치에 대한 연결 기능을 제공하며 빛을 발하게 된다. 상을 수상한 바 있는 탭웨이브 조디악 PDA를 설계한 스콧 슈미트는 “PDA에 자신의 모든 삶을 넣어 다니게 될 겁니다.”라고 말한다. “그리고 주변의 모든 장치, 즉, 컴퓨터나 TV도 PDA에서 실행할 수 있도록 변화될 겁니다.” 출장 시에는 호텔 객실과 공항에 설치된 화면과 키보드를 연결하여 사용할 수 있다. 물론 프로젝션 키보드가 사용하기 다소 어려울 수도 있지만 말이다.
스마트 커뮤니케이터에는 외부 세계에 대해 판단하고 그에 따라 장치의 작동 방식을 조정하는 센서로 이루어진 자체 신경계가 내장된다. 내장된 RFID 판독기가 PDA 주위에 있는 물체에 부착된 RFID 태그에 저장된 데이터를 읽어, 사진을 찍을 때 자동으로 식별 라벨을 넣는다. 또한 영상 스캐너가 탑재되어 간편한 메뉴 바를 통해 페이지를 탐색할 수 있다. 광센서, 열센서, 동작센서가 장치의 위치(주머니 속에 있는지, 아니면 손안에 있는지)를 파악하여 필요한 경우 벨 음량을 높인다. 기울기 센서는 장치의 상태에 따라 화면을 세로 또는 가로 모드로 전환하며, 사용자의 조작 없이 자동으로 화면을 스크롤한다. 마이크는 주위 소음을 측정하여 시끄러운 식당과 같은 곳에서도 들리도록 볼륨을 조절한다. 집에 가까이 오면 GPS가 위치를 감지하여 난방기나 에어컨을 켠다. 집안에 들어오면 블루투스 네트워크가 커뮤니케이터와 PC의 데이터를 자동으로 동기화한다.
막대한 개인 정보가 저장된 스마트 커뮤니케이터는 개인 정보 도용범에게는 백금보다 10배는 더 값질 것이다. 따라서 소프트웨어 암호화 기능과 생체 인식 기능을 사용하여 도용을 방지해야 한다. 스마트 커뮤니케이터를 분실한 경우 지문 감지 전원 스위치가 화면에 습득자로 하여금 주인에게 장치를 돌려줄 것을 부탁하는 메시지를 표시한다. 또한 무선 네트워크를 통해 비밀리에 위치를 전송하기 때문에 사용자가 웹 기반 지도에서 장치를 추적할 수 있다.
No.2
기억?사고력 높이는 ‘신경 훈련기’
미래의 “뇌 휴양지”에서 TMS와 기억력 향상 약물을 통해 높은 기억력과 예리한 사고력을 얻을 수 있다.
2015년경의 휴양지를 방문하다: 일련의 지력 검사(시각 퍼즐과 기억력 검사에서부터 반응 시간을 검사하는 게임에 이르기까지)로 코스가 시작된다. 결과에 대한 검토가 완료되면 전자기 코일이 내장된 가벼운 헬멧을 쓰고, 공인된 이 “신경 훈련기”가 여러분 뇌의 3D 화상을 조사하여 헬멧 설정을 조절하는 동안 편안히 앉아 있으면 된다. 이 장치가 뇌에 무해한 에너지 펄스를 쏘면 여러분은 이상하게 기운이 넘치는 걸 느끼게 된다. 몇 분이 지난 후, 스마트 바로 가서 자신에게 맞게 조제된 뇌기능 향상 알약을 처방 받는다.
이 시나리오는 그리 먼 훗날의 이야기가 아니다. 사우스 캘리포니아 의과대학의 마크 조지와 동료들은 미국 국방 고등 연구 기획청(DARPA)의 후원으로 진행된 연구에서 언젠가 조종사의 헬멧에 장착되어 지친 조종사의 머리를 맑게 할 수도 있는 가벼운 전자기 코일을 설계했다. 이 두개간 전기 자극(TMS) 기기는 착용자 뇌에 100만분의 1초의 에너지 펄스를 수 센티미터 넓이로 전달하여 뇌 세포에서 전기 작용을 유도한다. 연구 결과, 착용자에게 신호음이 들리면 바로 버튼을 누르도록 하고 신호음을 들려주기 직전에 자기 펄스를 유발하면 반응 속도를 5-10% 향상시킬 수 있는 것으로 나타났다. “마치 뇌의 해당 부분이 빨리 반응할 수 있도록 미리 준비시키는 것 같습니다.”라고 조지는 말한다.
뇌 활동의 3D 영상을 제공하는 기능성 자기 공명 영상(fMRI)과 함께 TMS를 사용하면 특정 부위의 뉴런에 에너지 펄스를 전달할 수 있다. 조지의 팀은 우울증 환자에게서 이상이 많이 발견되는 전두엽 피질에 매주 주기적인 자극(rTMS)을 주면 증세를 완화시킬 수 있다는 사실을 증명했다. 현재 rTMS를 정식으로 우울증 치료에 사용키 위한 연구가 진행 중이다. 나아가 TMS 연구원들은 뇌 중심부를 파악하는 기술을 개발하여 파킨슨병과 같은 질병 치료에 이용할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 조지는 이러한 치료법을 이용하여 뇌의 압력 중추를 시뮬레이션할 가능성에 까지 기대를 걸고 있다. (알렌씨, 당신의 오르가스마트론이 실현될 날도 멀지 않았습니다.)
한편, 헬리콘 치료 센터 등 다른 연구 기관들은 인지력과 기억력을 향상시킬 수 있는 화합물 개발에 힘쓰고 있다. 스마트 바라는 이름으로 이 휴향지에서 사용될 약물이다. 이 새로운 약물의 타겟은 장기 기억을 돕는 CREB(cAMP response element-binding) 단백질이다. 헬리콘의 약품은 연구소의 두 설립자(콜드 스프링 하버 연구소의 교수인 팀 툴리와 위스콘신 대학에 재직 중인 제리 옌)가 1995년 진행한 연구에 기초한 것이다. 과일 파리의 유전자를 조작하여 뇌의 CREB 양을 증가시켜 사진과 같은 높은 기억력을 가진 곤충을 만들어냈다.
정상 파리의 경우 후각을 통해 가벼운 전기 쇼크를 받았던 방을 피해 갈 수 있게 되기까지 10번의 시행착오가 있었지만, 유전자 조작된 파리는 단 한 번의 경험으로 그 방을 기억했다. 툴리는 “저희는 동물 실험을 통해 헬리콘의 약물이 장기 기억에 요구되는 경험의 양을 줄일 수 있음을 증명했습니다.”라고 말한다. 올 여름부터는 사람을 대상으로 실험을 실시할 계획이다.이러한 뇌 휴양지가 실제로 등장하게 되면 노화나 질병에 따른 뇌질환을 앓고 있는 환자들이 그 첫 고객이 될 것이다. 툴리는 정상인을 대상으로 이 요법을 시행하는 데는 그보다 10년 이상은 더 걸릴 것으로 예상된다고 밝혔다. 뇌 조작에 내재된 위험성이 일반적인 부작용보다 훨씬 크기 때문이다.
No.3
자체치유 가능한 미래 자동차
현재 개발 중인 자체 회복 복합 재료와 “버블로이”라는 물질이, 사고 후에 재생되는 차체를 만드는 데 중요한 열쇠가 될 수 있다.
::자동차는 너무 쉽게 찌그러진다. 놓쳐 버린 쇼핑 카트에 부딪히거나 좁은 주차 공간에서 자칫 실수하기만 해도 자동차는 찌그러진다. 강철보다 더 강하고 단단하며 가벼운 탄소 섬유 화합물로 차체를 만들지 못하는 이유는 뭘까? 이러한 화합물이 손상의 사전 징후가 거의 없다는 심각한 결점을 가지고 있기 때문이다. 시간이 지나면서 반복적인 진동, 충격, 온도 변화 등으로 작은 균열이 발생한다. 이러한 미세 균열(내부에서 발생하여 표면에 드러나지 않는 경우가 많기 때문에 발견하기 힘들다)은 결국 큰 균열을 만들어 갑작스럽고 치명적인 고장을 일으킨다. 과속 방지턱을 지나갔다고 해서 갑자기 부서져 버리는 자동차를 탈 수는 없지 않은가.하지만 만약 사람의 몸이 스스로 상처를 치유하듯, 자체 수리가 가능한 복합 재료가 있다면 어떨까? 스콧 화이트는 이러한 발상을 시작으로 자체 회복 화학 합성물을 연구하기 시작했다.
얼바나-샴페인에 있는 일리노이 대학 교수로 재직 중인 화이트는 “우리 몸은 평생 동안 자신을 지유합니다.”라고 말한다. 무언가에 베거나 멍이 들면 자체 치유 프로세스가 자동으로 시작된다. 상처 부위에 국지적 증상이 발생하면 주위의 혈소판과 백혈구가 활동하도록 신호가 보내진다. 화이트는 “사람과 마찬가지로 균열이 발생하면 바로 수리한다라는 발상이 마음에 들었습니다.”라고 말한다.화이트의 팀이 개발한 물질에는 액체를 담고 있는 수백만 개의 미세 캡슐이 들어 있다. 균열이 발생하면 미세 캡슐(약 1/250인치 크기)의 외피가 터지면서 D(dicyclopentadiene)라는 액체 치유 물질이 방출된다.
모세관 현상에 의해 이 폴리머 전구체(DCPD)가 균열 내부로 침투하여 촉매 입자와 접촉하면 액체가 몇 분 내에 경화된다. 미세한 입자 형태로 균열을 찾아 수리하여 기존 차체 강도의 90%까지 회복시킴으로써 차체 수명이 대폭 연장된다.물론 모든 캡슐이 사용되고 나면 더 이상 자체 치유는 불가능하다. 이에 대한 화이트의 해결 방안은 이 물질을 좀더 생명체에 가깝게 만드는 것이다. “생태학적 모델을 거의 완성했습니다. 인체는 재생과 치유를 위한 물질뿐만 아니라 영양소와 기타 모든 체내 물질을 전달하는 순환 체계를 고도로 발달시켜 왔습니다.” 화이트의 연구 팀은 순환 네트워크가 내장된 물질 제조에 대한 연구를 계속하고 있“따라서 합성물이나 차체의 수명이 다할 때까지 지속적으로 치유 물질을 보충할 수 있습니다. 또한 이 네트워크에 유체를 펌핑하기 위한 ‘심장’과 주기적으로 치유 물질을 채워넣을 수 있는 ‘연료통’이 필요할 겁니다.”
자체 치유 물질로 수 년간 차체 균열에 대해 안심하고 차를 몰 수는 있겠지만, 심각한 추돌 사고로 인한 손상은 수리할 수 없다. 이것이 바로 “버블로이”(bubble(기포)와 alloy(합금)의 합성어)가 필요한 이유이다. 칼테크의 재료 공학 연구소에 의해 개발된 버블로이는 팔라듐, 니켈, 구리 및 인의 기포 합성물로 만들어진 것이다. 버블로이로 만들어진 흙받이를 해머로 치면 곧바로 원래 모양으로 돌아온다. 칼테크에 재학 중인 그레그 월시와 함께 이 물질을 개발한 크리스 비제이(박사 과정)는 “자동차의 찌그러지기 쉬운 부분에 사용하면 굉장히 유용할 거라고 생각했습니다. 이 물질로 자동차의 안전성이 높아질 겁니다.”라고 말한다. 이제 자동차를 파괴하기도 쉽지 않을 것 같다.
No.4
썩은이빨 다시 자라게하는 기술
진주처럼 쥐의 창자 내에서 치아를 배양하는 데 성공했다. 줄기 세포와 조직 공학의 진보로 이 혁신적인 치과 의술이 탄생하게 되었다.
“이 놈들은 등뼈를 가진 초파리라고 할 수 있습니다.” 파멜라 예릭은 실험실에서 제브라 피쉬가 가득한 탱크를 보여 주면서 이렇게 말했다. 이 말을 쉽게 풀이하면, 제브라 피쉬는 유전자 조작이 쉽기 때문에 과학자들은 이 물고기의 게놈을 해독하여 초파리처럼 유전학 연구의 좋은 재료로 사용하고 있다는 말이다. 하지만 보스톤 포시스 연구소의 분자 생물학자 예릭이 초파리 대신 제브라 피쉬를 사용하는 데에는 중대한 이유가 있다. 바로 이 물고기가 이빨을 가지고 있다는 점이다. 그뿐만 아니라 제브라 피쉬의 이빨은 일생 동안 계속 다시 나고 자란다. 물론 인간의 치아는 그렇지 않다. 아직은 말이다.
오늘날 미국인, 유럽인, 일본인 중 200만 명 이상이 최소한 하나 이상의 치아를 잃었으며, 미국만 보더라도 연간 약 20만회의 임플란트 시술이 행해지고 있다. 하지만 최신 보철 기술로도 본래의 이빨을 완벽하게 대체할 수는 없다. 주위 조직에서 티타늄 구조물에 대한 거부 반응이 나타나는 경우가 많기 때문이다. 게다가 임플란트는 너무 단단하기 때문에 시간이 지남에 따라 바뀌는 치아 맞물림에 맞게 조절할 수 없다. “임플란트에 문제가 생기면 버리는 수밖에 없습니다.” 예릭의 말이다. “치과 의사들은 임플란트를 대용품이 탄생할 것이라는 사실을 크게 환영하고 있습니다.” 그 대용품은 예릭의 탱크가 있는 방에서 두 층에 있는 연구실에서 개발되고 있다. 거기에서 예릭의 팀이 이빨을 키우고 있는 것이다.
2002년, 예릭의 팀은 최초의 배양 치아를 만들어 내 학계와 자기 자신들까지도 놀라게 했다. 직경 0.08인치에 불과한 치아였지만 대단한 성과임에는 분명했다. 이전에 다른 연구소들은 상아질 줄기 세포로부터 뼈와 유사한 치아 재질인 상아질을 배양하는 데 성공했었다. 6살된 돼지에게서 뽑아낸 치아 배아로부터 배양된 예릭의 치아는 상아질 핵과 다른 구성 요소들 위에 에나멜 층이 덮여 있다.에릭의 치아가 만들어진 과정은 이렇다. 먼저 배아(미숙한 이빨 조직의 일부)에서 개별 세포를 분리 또는 분할한다. 그리고 그 세포를 이빨 모양의 폴리머 펠트로 이루어진 틀에 넣은 다음 콜라겐을 입힌다. 틀을 쥐의 장 내에 이식하여 일정하게 피가 공급되도록 하면서 20-30주 가량 배양한다.
하지만 사람에게 응용하려면 아직 두 가지 과제가 남아 있다. 줄기 세포를 어떻게 분리할 것인가, 그리고 배아를 어떻게 특정한 크기와 모양으로 배양할 것인가의 문제이다. 예릭의 팀은 첫 번째 과제에 있어서 상당한 진척을 보이고 있어, 올해 말에는 결과를 발표할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 어금니가 어떻게 앞니가 아닌 어금니로 자라는지를 이해하는 것은 힘든 과제이다. 여기에 제브라 피쉬가 필요한 것이다.
예릭은 이 물고기에서 유전 신호를 전달하는 통로를 연구하여 두개골과 안면 성장을 결정짓는 분자 체계를 이해하고자 하고 있다. 그녀의 연구소에서는 이미 제브라 피쉬와 인간의 치아 성장에서 공통적으로 나타나는 새로운 수용체를 발견했다.예릭은 향후 3-5년 내에 두 번째 단계에 접어들게 될 것이라고 예상했다. 그때에는 더 큰 동물과 궁극적으로 인간에 대한 실험이 진행된다. “벌써부터 돼지 이빨에 대해 문의하는 전화가 오고 있습니다. 하지만 저희는 10-15년 내에는 임상용 제품을 내놓지 않을 것입니다.” 사실, 이 기술은 이미 리텐슈타인에 있는 아이보크라 비바덴트사와 사용권 계약을 맺은 상태이다. 이 회사는 몇 가지 치과용 고급 치료제(화학 치료제 및 생물학 치료제)를 판매하고 있으며 10년 내에 인간의 치아로부터 치아를 배양해낼 것으로 기대하고 있다.
No.5
음파탐지기 장착한 ‘로봇벌레’
“자벌레” 모터와 음파 탐지기가 장착되어 MEMS 프로세스에 의해 제작된 작은 조사 로봇이 인간을 대신해 조사 활동을 수행한다.
벌레는 인간이 갈 수 없는 곳까지 갈 수 있다. 벌레는 대부분의 다른 생물보다 서로 훨씬 잘 협력한다. 그리고 벌레들 중 일부는 날 수 있다. 벌레의 이런 훌륭한 특성 때문에 로봇 공학의 미래는 “젯슨”보다는 “벅스 라이프” 쪽에 가깝다. 10여년 내에 센서와 무선 송수신기가 탑재된 로봇 벌레가 지진으로 파괴된 건물 잔해 속에서 생존자를 찾고 비행 중인 우주선의 고장을 수리하게 될 것 같다. 또한 가장 믿음직한 집 수리 도구가 될 수도 있다. 주택의 수도관으로 기어들어가 누수가 일어난 곳을 찾거나, 단열재를 뚫고 들어가 석면을 찾고 주위를 점검하는 로봇을 상상해 보라.
UC 버클리의 CITRIS(Center for Information Technology Research in the Interest of Society)에 재직 중인 크리스토퍼 피스터 교수와 대학원생 사라 버그브레이터는 이 분야에서 상당한 진척을 이루었다. 최근 태양열로 작동되는 길이 0.33인치, 폭 0.16인치의 마이크로로봇을 제작한 것이다.“걸어 다니는 실리콘 로봇을 만드는 것은 제 오랜 꿈이었습니다.” 건물의 구조적 결함 진단에서부터 민감한 생태계 조사에 이르기까지 무한한 응용 가능성을 지닌 초소형 무선 센서, 스마트 더스트를 개발한 피스터의 말이다. 피스터는 스마트 더스트에 다리를 부착할 계획이다.그가 개발한 마이크로봇을 움직이는 데 열쇠가 되는 것은 바로 새로운 “자벌레” 모터이다. 이 모터는 다리를 앞으로 아주 조금 당기는 셔틀에 연결과 해제를 반복하여 작동된다.
지금 그의 로봇에는 다리가 둘 뿐이고 몸체를 지탱할 만큼 튼튼하지도 않다. 하지만 집적 회로를 만드는 것과 유사한 방법으로 MEMS(micro-electromechanical system)을 사용하여 초소형 자동 로봇을 제작할 수 있다는 사실을 입증하고 있다.보다 높은 성능을 발휘하지만 부피가 더 큰 모델도 있다. 카네기 멜론 대학의 공학 교수 프라딥 코슬라와 대학원생 로버트 그라보스키, 루이스 나바로서먼트가 만든 성냥갑 크기의 밀리봇이 그것이다. 배터리로 작동되는 최신 밀리봇은 흔히 볼 수 있는 부품을 사용하였으며 초음파 센서와 음파 탐지기로 미지의 지역을 탐색한다.
UC 버클리, 세이코 엡손사 및 기타 연구소의 연구원들은 날개가 달린 마이크로봇을 개발하고 있다. 최근 세이코 엡손은 “무슈” 마이크로봇에서 배운 설계상의 교훈을 적용하여, 서로 반대 방향으로 회전하는 프로펠러를 사용하여 비행하는 헬리콥터 형태의 로봇을 제작했다. 무게 1/3온스, 직경 5인치의 mFR(Micro Flying Robot)은 추진용 초소형 초음파 모터와 안정성 유지를 위한 선형 추진 장치를 자랑한다. 전원 소비가 적은 블루투스 모듈로 최대 30피트 거리에서 무선 조종이 가능하다.
CITRIS 연구원 로날드 피링이 설계한 로봇 파리는 뒤쪽에 장착된 30mW 리튬-이온 배터리를 동력으로 비행하게 된다. 이 로봇은 1/4인치보다 작고 무게는 겨우 0.0035온스에 불과하다. 초소형 압전 모터를 사용하여 날개를 초당 150회 회전시킴과 동시에 펄럭인다. 피링은 이 파리에 초소형 비디오 카메라와 스마트 더스트 센서를 탑재하여 조사와 구조 및 답사 임무를 수행하도록 하는 것이 최종 목표라고 말한다.차세대 로봇이 땅 위를 기어 다니든, 아니면 하늘을 날아 다니든, 본질적으로는 단순한 창조물이다. “시스템에 내장된 기능이 더 많을수록 실패할 확률도 높아집니다.”라고 코슬라는 말한다.
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