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과학과 놀자
반사돼 돌아오는 빛을 X·Y·Z축 좌표로 인식하는 라이다…자율주행 도로 등 3차원 디지털 세계 구축에 활용

무인주행 자동차의 눈인 '컴퓨터 비전'은 도로 주변에 있는 모든 것을 3차원 데이터로 본다. 이런 첨단 자동차는 정확한 3차원 데이터를 얻기 위해 어떤 기술을 사용할까? 라이다(LiDAR: Light Detection and Ranging)는 레이저 빛을 물체에 쏘아 반사해 돌아오는 시간으로 정확한 거리와 위치를 측정하는 기술이다. 라이다는 무인자율주행에 필요한 정밀 3차원 디지털 지도를 만들기도 하고, 정밀한 건물 공사에 사용되기도 한다. 최근에는 디지털 트윈에 필요한 3차원 디지털 모형을 만들 때 사용돼 응용 분야가 많아지고 있다. 라이다와 인공지능 기술을 통해 인식하는 3차원 세계라이다는 1961년 레이저가 발명된 직후 개발됐다. 초기 라이다는 대기 측정과 우주 행성 측량 분야에서 사용됐다. 라이다가 사용하는 원리는 물체에 반사된 빛이 되돌아오는 시간을 측정하면 정확한 거리를 얻을 수 있다는 데 있다. 이 아이디어는 1930년 과학자 에드워드 허친슨 신지(Edward Hutchinson Synge)가 탐조등을 사용해 대기 밀도를 조사하기 위한 목적으로 제안했다. 이 연구는 빛을 이용한 원격 측량의 효시가 됐다. 이후, 라이다는 지리 공간, 건설, 광업, 농업과 같이 원격 측량이 필요한 곳에 활용되기 시작했다. 지금은 아이폰(iPhone)에도 라이다가 포함돼 있을 만큼 많은 사람이 사용하고 있다.라이다는 대상물 표면에 빛을 반사해 되돌아온 시간을 거리로 계산한 후, 이 거리를 3차원 좌표들로 변환한다. 3차원 좌표는 3차원 공간에서 X, Y, Z좌표인 포인트(point)로 구성된다. 라이다는 이 포인트의 집합인 포인트 클라우드(cloud)를 짧은 시간에 만들어낼 수 있다. 이 과정을 3차원 스캐닝(scanning)이라고 한다. 라이다는 보통 몇 미터
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질병 유발 단백질에 대한 신약 후보물질의 생리활성을 예측하는 기술, 인공지능 활용한 가상탐색으로 신약 후보물질 빨리 찾아내

평균 10년, 1조원의 비용. 일반적으로 알려진 신약 개발에 필요한 기간과 비용이다. 이렇게 많은 시간과 비용이 드는 이유는 신약 후보 물질을 찾는 단계에서 약물의 승인 단계까지 상당한 시간과 비용이 소모되기 때문이다. 신약 개발에는 막대한 시간과 비용이 들어가지만, 성공 가능성은 희박하다. 신약 개발 과정은 질병을 일으키는 단백질을 찾아내고 해당 질병을 치료하기 위한 후보물질 탐색, 전임상, 안전성 및 약효를 평가하는 임상 1, 2, 3상 단계를 거친다. 이와 같은 과정에는 많은 시행착오가 생기며 이로 인해 막대한 연구개발 시간과 비용이 소요될 수 있다. 인공지능을 활용한 연구개발신약 개발업계 관련자들은 이런 고민을 해결하기 위해 엄청난 노력을 꾸준히 하고 있다. 최근 4차 산업혁명이라는 이슈와 함께 이런 질문에 대한 대안으로 관심받는 기술이 있다. 바로 컴퓨터를 이용한 인공지능 기술이다. 인공지능은 하드웨어 발달 및 병렬처리 알고리즘 개발에 힘입은 컴퓨터 성능 향상, 딥러닝을 기반으로 하는 획기적 데이터 분석 기술 개발, 전 세계를 연결하는 초고속 인터넷 등 다양한 기술 발전의 결과물로서 이미 이미지, 영상, 음성에 대한 인식 수준은 인간을 초월해가고 있으며 그 응용범위가 신약 개발을 포함한 모든 과학 분야의 영역으로 확대되고 있다. 인공지능을 활용하면 개선될 여지가 충분히 크기 때문에, 인공지능 기술은 기존 신약 개발 연구개발 과정의 효율성을 높여 신약 개발 성공률을 높일 수 있을 것으로 기대하고 있다.컴퓨터 기반의 신약 개발 연구는 지난 수십 년 동안 화합물과 생물학적 타깃(질병 유발 단백질) 간의 상호작용을 컴퓨터, 물리, 화학, 통계 등의
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물질을 통과해 이온화시키는 방사선을 진단과 치료에 활용 알파선·베타선은 종양 치료…감마선은 체외진단에 적합

원자란 화학반응을 통해 더 이상 쪼개질 수 없는, 물질을 구성하는 기본 입자다. 원자는 얼마나 작을까? 일반적으로 원자의 크기는 0.1㎚(나노미터)로 원자 1억 개를 한 줄로 세워야 겨우 1㎝가 된다. 흔히 알려져 있듯 원자는 원자핵과 그 주변을 도는 전자로 구성되며 원자핵은 양성자와 중성자로 이뤄져 있다. 자연 상태에서 같은 양성자 수를 가지나 중성자 수가 다른 다양한 원소를 서로 동위원소라 부르는데, 양성자와 중성자 비율에 따라 안정한 동위원소가 되기도, 불안정한 방사성동위원소가 되기도 한다. 방사성동위원소가 내보내는 방사선의 에너지를 사용방사성동위원소는 의료, 산업, 농업 및 식품 가공 등 다양한 분야에서 이용되고 있다. 특히 의료 분야에서의 활약이 두드러지는데, 종양 치료나 혈액 검사 같은 체외 진단에 주로 활용된다. 그렇다면 의료용 방사성동위원소는 어떤 특성 차이로 치료용과 진단용으로 나뉘어 사용되는 걸까? 바로 방사성동위원소가 내보내는 방사선의 에너지 성질에 따른 차이다. 방사선은 보이지 않는 광선과 같은데, 갖고 있는 에너지가 커서 물질을 통과하며 이온화시키는 방사선을 ‘이온화 또는 전리 방사선’이라고 부른다. 가시광선, 마이크로파, 라디오파, 적외선, 자외선 등 이온화 능력이 없는 방사선은 ‘비이온화 또는 비전리 방사선’이라고 정의한다.의료용으로 사용하는 방사성동위원소는 알파선, 베타선, 감마선과 같은 이온화 방사선을 방출한다. 종이 한 장도 투과하지 못하지만 에너지는 가장 큰 알파선과 역시 투과력은 강하지 않지만 빛보다 빠른 베타선은 주로 종양 치료에 사용한다. 엑스선과 같은 전자기파인데 물질을 투
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카메라로 인식하고 인공지능으로 처리하는 자율주행로봇…빌딩 내 사무실 앞 '마지막 구간'까지 도달할 수 있어야

이미 언론에서 많이 볼 수 있는 무인주행 자동차는 자율적으로 주행하는 로봇의 일종이다. 자율주행로봇의 핵심 기술은 무엇일까? 하드웨어적으로 배터리나 모터 등을 떠올릴 수 있겠지만, 필자는 눈과 두뇌에 해당하는 소프트웨어 기술이 핵심이라고 생각한다. 눈과 두뇌가 없는 하드웨어는 시각장애인이나 마찬가지다. 요즘 이 눈과 두뇌에 해당하는 기술을 각각 '컴퓨터 비전(Vision)'과 인공지능 기술로 부른다. 이 기술이 적용된 드론(Drone)이나 배달로봇은 자율적으로 지형과 공간을 인식하고, 물건을 미리 지정된 위치로 배송한다. 그럼 자율주행로봇에 사용된 비전과 인공지능 기술이 무엇인지 알아보자. 자율주행로봇의 핵심, 컴퓨터 비전과 인공지능컴퓨터 비전은 컴퓨터가 사진과 같은 이미지 속의 사물이나 의미를 인식하는 방법을 말한다. 컴퓨터 비전과 인공지능 기술은 서로 친척관계다. 매사추세츠공대(MIT) 시모어 페퍼(Seymour Papert) 교수는 1966년 ‘Summer Vision 프로젝트’에서 물체를 식별할 수 있는 로봇 시각 시스템을 개발할 수 있는지 질문했다. 2년 후 마빈 민스키(Marvin Minsky) 교수는 ‘Blocks World 프로젝트’에서 인간의 도움 없이 다양한 모양의 크기와 블록을 인식하고 조립할 수 있는 인공지능을 개발하고자 했다. 1960년대 시작된 인간 시각과 지능을 모방할 수 있는지에 대한 질문과 해결 시도는 50년 후 우리가 사용하는 자율주행차의 핵심 기술이 됐다.우리는 이 기술을 조만간 여러분의 집 앞에서 경험하게 될 것이다. 무인자율 배송 기술이 그중 하나다. 키위봇(Kiwibot)이란 배달로봇은 무인자율 배송 서비스를 개발하는 캘리포니아 버클리대 스타트업에서 2017년 개

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원자에서 방출되는 빛은 전자기파 에너지…세상을 밝히는 빛, 물질과 우주의 신비도 알려준다

머리카락 굵기의 100억분의 1 정도 작은 크기인 원자핵은 어떤 모양일까? 400억 광년 거리에 있는 먼 우주의 별들은 나이가 얼마나 되고 어떤 물질로 이루어졌을까? 물질을 구성하는 기본 입자인 원자와 원자에서 방출되는 빛을 분석하면 이런 질문에 대한 해답을 얻을 수 있다. 최근에는 분석 기술 발달에 따라 플라스마나 동위원소 분석을 통한 핵융합과 원자력과 같은 거대과학에도 활용되고 있으며, 극초단 파장을 이용한 첨단 반도체 장비 개발에도 핵심 역할을 하고 있어 기초과학의 힘을 증명하고 있다.물질의 기본 구성 입자인 원자(atom)는 기원전 5세기경 그리스의 철학자이자 과학자인 레우키포스와 그의 제자 데모크리토스가 만들어낸 ‘더는 쪼갤 수 없음’이라는 뜻의 atomos에서 유래하였다. 19세기 영국 화학자이자 물리학자인 존 돌턴이 모든 물질은 원자로 이루어졌다는 원자 이론을 발표하면서 지금과 같이 원자로 불리게 되었다. 이후 1922년 노벨 물리학상을 받은 양자역학의 아버지 보어에 의해 핵과 전자로 구성된 현대적 원자 모델이 정립되었다. 빛을 측정해 어떤 원자로부터 나왔는지 확인원자는 양성자와 중성자로 구성된 원자핵과 그 주위를 돌고 있는 전자로 구성되어 있다. 전자는 특정 궤도에만 위치하고, 이 궤도를 준위라 부른다. 높은 준위에 있다는 것은 에너지가 크다는 것을 의미하며, 낮은 준위로 이동하면 에너지를 방출한다. 이때 방출하는 에너지는 전자기파, 즉 빛의 형태를 띤다. 원자에 따라 전자의 에너지 준위가 다르므로 방출하는 빛의 에너지를 측정하면 어떤 원자에서 나온 것인지를 구분해 낼 수 있게 된다. 이를 원자분광학이라 부르며, 원자에서 방출되
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수천억 개 은하의 정보로 수치 알고리즘 만들어 추론해

모닥불 주변에 둘러앉아 치열했던 사냥을 회상하고 '불멍'을 즐기기 시작했을 즈음. 아마도 그때부터 원시 인류는 고개를 들어 밤하늘이 무엇인지 궁금해하기 시작했을 것이다. 만져지지 않는 밤하늘의 정체를 설명하고자 인류는 갖은 상상력을 펼쳐왔다. 상상의 흔적은 대상을 일컫는 이름에서도 찾아볼 수 있는데, 밤하늘을 가로지르는 무수한 별들의 무리를 가리켜 한자 문화권에서는 은빛 강물이라는 뜻의 은하수(銀河水), 영미권에서는 우윳빛 길이라는 뜻으로 'galaxy' 혹은 'milky way'라 불러왔다.인류의 지식체계가 견고해짐에 따라, 은빛 강물이나 우윳빛 길처럼 보이는 것은 인류가 거주하고 있는 ‘우리은하’의 단면에 해당한다는 것을 알게 됐다. 은하도 진화한다우리은하에는 태양처럼 스스로 빛을 내는 별이 대략 100억 개 존재하고 있는 것으로 알려져 있다. 각각의 별은 그 크기에 따라 다양한 수의 행성을 거느리고 있는데, 우리 지구도 평범한 별에 딸린 행성 중 하나다. 별들 사이의 공간은 새로운 별이 만들어지는 데 쓰일 가스구름으로 채워져 있다. 우리은하는 별과 행성, 가스구름 등으로 이뤄진 거대한 생태계라고 볼 수 있다. 100억 년에 달하는 시간 동안 서서히 지금의 형태를 갖추게 된 우리은하는 지금 이 순간에도 변화하고 있다. 천문학자는 이렇게 영겁의 세월을 거쳐 살아 있는 생명체처럼 변화하는 우리은하의 모습을 두고 줄곧 ‘진화한다’고 표현한다. 별들의 섬, 은하로 우주를 이해하기관측 가능한 우주에는 우리은하와 같은 은하가 수천억 개 존재하고 있을 것으로 추정된다. 일반적인 은하의 크기는 10만 광년(빛이 10만 년 동안 이동하
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카본단열재가 없었다면 태양 탐사선도 없었다

‘바보야, 문제는 경제야!’는 유명한 미국 대통령선거 캐치프레이즈였다. 오늘 이 글에서 강조하고 싶은 것은 ‘재료’지만 자칫 ‘바보’라는 다소 거친 언사에 현혹되어 논점이 흐려질지도 몰라 제목을 ‘양반’으로 조금은 순화를 도모했다. 조선 후기에 양반이 얼마나 늘어났던지 그 이후로 우리는 일면식 없는 상대에게도 ‘이 양반’ ‘저 양반’이라고 지칭한다. 사실은 왕과 귀족을 떠받치는 하층 계급이던 무늬만인 그 양반(!)들의 거의 모두가 이제는 명실상부 자유롭고도 평등한 시민들이 된 데는, 성능은 좋은데 지구에 지천으로 널려 가격이 저렴한 철이라는 물질에 기인하는 면이 있다는 해석이 있다. 풍부히 매장된 철이 인류문명 발전 뒷받침지구에 풍부하게 매장되어 있는 철이 만약 구리 정도만큼의 소량으로만 존재했다면, 청동에 비해 기술적으로도 더 고난도인 고온의 제강 기술이 아무리 발달하더라도 희소성에 기인한 비싼 가격 때문에 청동기시대 이후 우리가 살아오고 있는 철기시대는 도래하지 못했을 수도 있다. 철이라는 고마운 재료는 도시의 솟아오른 마천루의 뼈대와 대륙을 가로지르는 철로의 재료가 되어 물질문명을 일으켜 세우고 또 그것을 온 세상에 퍼뜨림으로써 대다수 지구인이 문명을 크게 차별 없이 누릴 수 있게 했다. 민주주의라는 정치체제의 보편화에도 지분이 있는 것이다. 한마디로 요약하자면, 좋은 것이 값싸고 풍부하기 때문에 아무리 힘이 없는 사람들에게도 접근성이 주어진 것이다.구석기, 신석기, 청동기 및 철기와 같이 인류의 선사 및 역사 시대를 구분함에 있어 재료를 그 기준으로 삼은 것은 덴마크 박물
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몸에서도 나오고 우주에서도 들어오는 방사선

방사선이란 단어를 들으면 보통 어떤 느낌이 들까? 방사선을 공부하고, 다뤄온 필자지만 일반인에게 방사선이라는 단어가 기분 좋게 다가가지 않으리라는 건 쉽게 예상 가능하다. 하지만 방사선은 우리 몸에서도 지금 나오고 있다. 인체를 구성하는 성분에는 칼륨-40, 탄소-14, 루비듐-87, 납-210, 폴로늄-210과 같은 방사성동위원소가 포함되어 있어 방사선을 계속 방출한다. 체중 60kg 성인 기준으로, 약 6000~7000Bq(베크렐, 1Bq은 1초에 1개의 원자핵이 붕괴하면서 방출하는 방사능)정도라고 한다.인간뿐 아니라 지구에 존재하는 모든 생명체와 물질은 조금씩 방사선을 내뿜는다. 우리는 방사선에 둘러싸여 있는 셈이다. 그렇다면 우리는 두려움에 떨며 살아야 할까? 결론부터 말하자면 전혀 그렇지 않다. 모든 생명체는 주위에서 발생하는 방사선에 적응하고 진화하며 생명을 유지해왔고 앞으로도 그럴 것이기 때문이다. 자연방사선과 인공방사선지구상의 환경방사선은 자연적으로 존재하는 자연방사선과 인위적으로 생성한 인공방사선 두 가지로 나뉜다. 자연방사선은 지구를 구성하는 지각에 포함된 천연 방사성핵종에서 방출하는 지각방사선, 우주에서 쏟아져 들어오는 우주방사선, 그리고 생명체가 방출하는 방사선으로 구분된다. 인공방사선은 인간의 필요에 의해 인공적으로 발생시킨 방사선인데 우리는 알파선, 베타선, 감마선, 엑스선과 같은 방사선을 인위적으로 만들어 질병 치료와 검사, 구조물 비파괴 검사 등에 활용한다.그렇다면 우리는 이런 환경방사선에 얼마나 노출되고 있을까? 지각을 구성하는 물질은 지역별로 다르기 때문에 지각방사선 노출량은 나라별 도시별로 차이가 크다. 일반적

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