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우리 학교 기계공학과 이진우 교수 연구팀이 인공지능(AI)을 이용해 목표 주파수 대역에서 소음을 대폭 줄일 수 있는 새로운 소음기 설계 기법을 개발했다. 기존 소음기 설계의 한계를 극복함으로써 자동차와 가전제품, 공장 등의 배기 및 냉난방 시스템의 소음 저감에 다양하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.기계공학과 이진우 교수는 인공지능을 이용해 음향 해석을 수행하고 역전파법과 생성적 설계 기법을 활용해 목표 주파수 대역에서 소음을 대폭 줄일 수 있는 음향 최적 설계 기법을 개발했다고 밝혔다.해당 내용은 ‘인공 신경망 모델의 역전파법을 활용한 딥러닝 기반 최적 소음기의 생성적 설계(Deep-learning-based generative design for optimal silencer using backpropagation of artificial neural network model)’라는 제목으로 인공지능 관련 학술지 <어드밴스트 엔지니어링 인포맥택스(Advanced Engineering Informatics(JCR ENGINEERING, MULTIDISCIPLINARY 부분 상위 2.0%)> 2024년 10월자에 게재될 예정이다(온라인판 8월 게재). 해당 연구에는 안병현 박사(현 HD현대일렉트릭, 위 사진 오른쪽)가 제1저자로, 이진우 교수(위 사진 왼쪽)가 교신저자로 참여했다.소음기란 자동차와 가전제품, 전차, 플랜트 등에서 발생하는 덕트 소음(배관을 통해 토출되는 소음)을 줄이기 위해 이용되는 음향 장치다. 기존에 활용되던 소음기는 설계자의 과거 경험이나 직관에 의존하여 설계되어왔고, 다른 대안으로 제시되어온 형상·위상 최적화 기법 역시 민감도 계산에 소요되는 시간과 소음 저감 성능 개선의 어려움 등 여러 한계를 보여왔다.이에 아주대 연구팀은 인공 지능을 활용해 주파수에 따라 변화하는 민감도 해석 기법을 세계 최초로 개발, 소음기 설계 분야에 새로운 연구 방향을 제시했다. 연구팀은 이 방법으로 설계된 소음기에 대한 성능 평가 실험을 통해 그 유효성도 입증해냈다.이진우 교수는 “이번에 제안한 방법을 활용하면 짧은 시간 내에 목표 주파수 대역에서 소음을 대폭 줄일 수 있는 다양한 구조의 소음기를 대량으로 설계할 수 있다”며 “제작 편의성을 고려해 소음기를 선택할 수 있어 앞으로 자동차, 가전제품, 전차와 플랜트 등의 배기 시스템과 냉난방 공조 시스템의 덕트 소음 저감에 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.이번 연구는 한국연구재단 개인 기초 연구 사업-중견 연구 과제의 지원을 받아 수행됐다. 연구팀은 앞으로도 인공 지능 기반 음향·진동 해석과 설계에 관한 후속 연구 결과를 연이어 발표할 예정이다.연구팀이 개발한 프로그램으로 최적 설계된 소음기 내부 구조, 목표 주파수 대역에서 소음 저감 성능이 대폭 향상된 것을 알 수 있다. 이번 연구에서 개발한 소음기 설계 기법을 반영한 GUI(Graphic User Interface) 프로그램(출처: Advanced Engineering Informatics)
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우리 학교 기계공학과 연구팀이 날갯짓 드론에 적용할 수 있는 ‘감각 비행’ 제어기술을 개발하는 데 성공했다. 스스로 바람을 감지하고 목표 위치까지 비행할 수 있는 스파이 로봇, 탐험 및 재난구조 로봇 등에 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 아주대 기계공학과 자연모사실험실 강대식·고제성·한승용 교수팀은 날갯짓 드론의 독자적 비행 제어기술을 개발했다고 밝혔다. 해당 내용은 ‘강화 학습을 통한 날갯짓 드론의 스트레인 기반 비행 제어(Wing-strain-based flight control of flapping-wing drones through reinforcement learning)’라는 제목으로 9월20일자 <네이처 머신 인텔리전스(Nature Machine Intelligence)> 표지논문으로 게재됐다. 우리 학교 김태위 박사, 홍인식 박사, 임성훈 학생이 공동 제1저자로 함께 참여했다.새나 곤충은 비행할 때 감각 비행(fly-by-feel)을 통해 날개와 몸에 느껴지는 바람의 압력과 공기의 흐름을 감지, 방향과 속도를 조절한다. 감각 비행 제어 기술을 활용하면 카메라나 GPS 등의 복잡하고 무거운 센서를 사용하지 않고도 주위 환경 변화를 인지할 수 있어 기동성과 에너지 효율을 높일 수 있다.날갯짓 드론은 잠자리나 나방과 같은 비행 곤충의 비행 능력을 모방해 만들어져, 프로펠러 방식의 회전익 드론보다 구조체가 유연하고 부드럽다. 이에 충돌에 강하고, 소음저감 효과도 우수해 효율적 초경량 드론 모델로 주목받고 있다. 하지만 날갯짓 드론은 회전익 드론의 제어 방식을 사용하고 있어, 정지 체공은 가능하지만 바람을 타고 비행하는 장거리 비행에는 한계가 있다. 이에 아주대 연구팀은 날갯짓 드론의 독자적 제어 시스템 개발을 위해 비행 곤충의 날개에 위치한 종 모양의 감각 기관(Campaniform Sensilla)에 착안했다. 잠자리나 나방 같은 비행 곤충은 감각 기관인 컴패니폼 센실라를 통해 바람에 의한 날개의 변형 정도를 감지, 신속하게 비행을 제어한다. 잠자리의 날개 하나에만 약 80여 개의 감각기관이 분포하고 있는 것으로 보고되고 있다. 연구팀은 컴패니폼 센실라를 모사한 초경량 고민감도 균열 센서를 개발, 이를 날갯짓 드론에 부착해 날개 변형에 따른 신호 변화를 수집했다. 또 머신 러닝 기술을 활용, 날개 변형 정보 속에 드론 비행 제어에 필요한 바람의 방향과 속도 정보가 포함되어 있음을 확인했다. 연구팀은 새로 개발한 비행 제어 시스템이 날개 변형 정보를 통해 비행 중 바람의 방향과 세기를 80%의 높은 정확도로 분류함을 확인했다. 바람이 부는 환경에서는 드론이 목표 지점으로 날아가 위치를 유지했고, 바람이 불지 않는 환경에서는 스스로 비행 경로를 추적해 사용자가 지정한 6가지 경로로 비행했다. 강대식 교수는 “이번 연구는 기존에 없던 날개변형 정보 기반의 날갯짓 드론 제어 시스템을 개발하고, 실효성을 검증한 데 의의가 있다”라며 “이번 결과가 정지 체공 뿐 아니라 글라이딩이 가능한 날갯짓 드론 개발의 단초가 되길 기대한다”라고 말했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단이 추진하는 중견연구 지원으로 수행됐다. 날갯짓 곤충과 날갯짓 드론에서 날개 변형을 감지하는 메커니즘* 위 사진 : 아주대 기계공학과 자연모사실험실 교수진. 사진 왼쪽부터 강대식·고제성·한승용 교수
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조인선 교수가 참여하는 산학연 공동 연구팀이 폐타이어를 기반으로 한 배터리 소재 기술 개발에 나선다. 대기오염을 가중시키는 폐타이어 문제를 해결하고, 그동안 해외 기술에 의존해온 친환경 배터리 소재 기술의 국산화가 가능할 것으로 기대된다. 조인선 교수(첨단신소재공학과∙대학원 에너지시스템학과)는 산업통상자원부와 한국산업기술기획평가원이 주관하는 '소재부품기술개발 이종기술융합형' 과제에 선정됐다고 밝혔다. 아주대학교, 엘디카본, 성균관대학교, 한국소재융합기술원이 산학연 공동으로 참여하는 연구 프로젝트로, ‘폐타이어 기반 배터리 등급 카본복합 도전재 기술개발 및 사업화’를 목표로 한다. 앞으로 30개월 간 33억원의 연구비가 지원된다.폐타이어는 전 세계적으로 매년 약 3100만톤씩 배출되고 있다. 그 중 상당량이 소각 처리되는데, 소각 과정에서 1600만톤 이상의 이산화탄소가 배출된다. 특히 국내에서는 매년 약 37만~39만톤의 폐타이어가 발생하며, 이 중 90% 이상이 재활용되지만 대부분 소각을 통해 열에너지로 사용되고 있어 대기오염 문제를 가중시키고 있다.공동 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 폐타이어를 활용한 ‘고전도성 카본복합 도전재’ 개발을 목표로 하고 있다. 현재 배터리 산업에서 사용되는 도전재는 대부분 해외에서 수입된 카본블랙에 의존하고 있어 국산화의 필요성이 대두되고 있는 소재다. 연구팀은 폐타이어를 열분해해 얻은 고형 잔재물을 활용해 친환경 카본블랙 도전재를 개발하고, 이를 통해 배터리 성능 개선과 동시에 환경 보호에도 기여하겠다는 포부다.공동 연구팀은 기존 석유 기반 공정에 비해 50% 이상 탄소 배출을 줄일 수 있는 친환경 공정으로 폐타이어 기반 카본블랙 도전재를 생산할 계획이다. 또한 기존 카본블랙 대비 30% 이상의 가격 경쟁력을 확보, 향후 국내 배터리 산업의 도전재 국산화와 함께 새로운 시장 개척의 기회를 창출할 수 있을 것으로 기대하고 있다.조인선 교수는 "환경 오염을 유발하는 폐타이어를 통해 고부가가치 친환경 배터리 소재를 개발한다는 의미에서 중요한 연구”라며 “이번 연구를 통해 폐기물 재활용과 탄소 저감 기술 개발에 기여하고, 친환경 배터리 시장에서 선도적 역할을 해 나가겠다”라고 전했다.
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아주대 기계공학과·의과대학 공동 연구팀이 생체 내에서 녹는 물질을 활용해 뇌 깊숙한 곳에서 신경 세포 신호를 분석할 수 있는 탐침을 개발했다.우리 학교 강대식(기계공학과)·이은정(의과대학 뇌과학교실) 교수는 시한성 운송체를 이용해 심부 뇌 신경 신호를 측정할 수 있는 그물망 뇌 탐침을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 전자공학 분야 최상위권 저널인 <npj 플렉시블 일렉트로닉스(npj flexible electronics, IF 12.3, JCR상위 1.8 %)> 7월13일 자에 온라인 게재됐다. 논문의 제목은 “광범위 심부 뇌 신경 신호 측정을 위한 시한성 운송체 기반 그물망 뇌 탐침 이식(Transient Shuttle for a Widespread Neural Probe with Minimal Perturbation)”이다. 이번 연구에는 아주대 기계공학과 노연욱 박사와 김형석·김은아·지경빈 학생이 제1저자로 참여했다.최근 뇌에 전자 장치를 이식해 뇌의 병리학적 특성과 인지 과정을 이해하려는 연구가 큰 주목을 받고 있다. 이에 여러 연구를 통해 유연한 전자 장치를 비롯한 소재와 디자인의 발전이 이뤄졌다. 최근 뇌 표면에 오랜 기간 이식되어 뇌 신경 신호를 분석할 수 있는 수준에 도달했지만, 심부 뇌의 활동을 모니터링하는 것은 여전히 어려운 도전으로 남아 있다. 심부 뇌의 모니터링을 위해 많은 연구 그룹들이 단단한 뇌 탐침을 뇌 심부에 이식하거나, 상대적으로 유연한 뇌 탐침을 단단한 운송체로 삽입하는 등의 시도를 해왔다. 그러나 부드럽고 연약한 뇌 세포와 단단한 뇌 탐침의 기계적 불일치, 그리고 이식 후 운송체 철수 과정 중에 발생하는 유연한 뇌 탐침의 구겨짐 또는 흐트러짐이 심부 뇌 모니터링을 어렵게 하는 문제로 남아있었다. 아주대 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 강성이 약 1078배 변하는 시한성 물질을 이용해 초미세 그물망 형태의 뇌 탐침을 코팅했다. 이렇게 제작된 시한성 운송체 기반의 그물망 뇌 탐침은 이식 중에는 높은 강성을 가져 뇌 깊은 곳에 효과적으로 안착할 수 있으며, 원하는 자리에 이식이 된 후 녹아 사라지기 때문에 별도의 운송체 철수 과정이 필요하지 않다. 또한 단단한 운송체가 녹아 사라져 유연한 상태로 장기간 이식되기 때문에, 신경 세포가 원래의 위치로 회복되며 면역 반응이 최소화됨을 확인 할 수 있었다.강대식 교수(기계공학과)는 “이번에 제작한 시한성 운송체 기반 그물망 뇌 탐침은 삽입-철수- 장기 이식 과정 중 필요한 강성을 최적화할 수 있다”며 “이러한 이식 형태는 단순히 뇌 표면을 넘어 뇌 심부 및 넓은 영역의 신경 세포 활동을 분석할 수 있는 기반이 된다”라고 설명했다.의과대학 이은정 교수(뇌과학교실)는 "뇌 심부의 신경 세포 신호 측정을 통해 뇌의 기능 및 질환에 관한 보다 많은 정보를 얻음으로써 뇌 질환 치료에 한 발 더 나가길 기대한다"라고 전했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부가 주관하는 개인기초연구지원사업 우수신진연구, 중견연구, 집단연구사업 기초연구실, 교육부가 주관하는 학문후속세대사업 박사후국내연수, 환경부가 주관하는 환경보건 디지털 조사 기반 구축 기술개발 사업의 지원을 받아 수행됐다.공동 연구팀의 논문은 생물학연구정보센터(BRIC)가 발표하는 ‘한국을 빛내는 사람들(한빛사)’ 논문으로 선정됐다.시한성 운송체에 감싸진 그물망 구조의 뇌 탐침 개략도시한성 운송체를 이용한 그물망 뇌 탐침이 이식된 뇌 심부의 신경 세포 회복 및 면역 반응 감소 분석
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