생체모방 후각 칩: 인공지능과 전자코가 석탄 광산의 다음 카나리아가 될까요?

인공 후각의 어려움

머신 비전이 지난 몇 년간 엄청난 진전을 이루었지만, 다른 인공 감각들은 뒤처져 왔습니다. 그 중 하나가 후각, 즉 ‘냄새’ 감각입니다.

이는 우리가 빛에 대한 정확한 전기 신호를 얻는 방법을 오래전부터 알고 있었고, 첫 디지털 카메라 이후 대규모로 활용해 왔기 때문입니다. 반면에 냄새는 휘발성 화학 물질을 감지하는 것입니다.

이것은 몇 가지 이유 때문에 훨씬 더 어렵습니다:

• 향료 화학 물질은 거의 “순수”하지 않습니다. 대신 복잡한 혼합물 형태로 존재해 감지를 복잡하게 만듭니다.
• 인간이나 동물의 후각 수준에 맞추려면 매우 낮은 검출 한계가 필요하며, 일반적으로 ppm(백만 분의 1) 수준, 즉 0.0001% 정도의 농도를 감지해야 합니다.
• 대부분의 응용 분야에서 소형화가 필수이며, 이를 위해 고급 칩과 낮은 전력 소비가 요구됩니다.
• 화학 반응에 기반한 감지는 센서에 사용되는 촉매나 화학 물질을 정기적으로 교체해야 합니다.

이러한 이유들 때문에 현재 대부분의 화학·후각 디지털 감지는 몇 가지 화합물에만 제한되어 있습니다. 일반적으로 산업 현장에서 사고나 누출로 발생할 것으로 예상되는 위험 물질, 예를 들어 일산화탄소, 오존, 염소 등을 감지하는 데 사용됩니다.

홍콩 과학기술대학(HKUST) 팬지용 교수 팀의 연구원들이 개발한 생체모방 후각 칩 덕분에 상황이 바뀔 수 있습니다.

출처: HKUST

생체모방 후각 칩

냄새는 어떻게 작동하나요?

동물과 인간의 후각은 “후각 수용체”라 불리는 화학 탐지기 배열을 통해 작동하며, 다양한 휘발성 화학 물질을 높은 감도로 감지합니다.

이러한 후각 수용체를 코딩하는 유전자의 수는 종에 따라 300개에서 1,200개까지 다양하며, 후각이 그 종에게 얼마나 중요한지에 따라 달라집니다.

따라서 모든 가능한 화학 분자마다 별도의 수용체가 있는 것이 아니라, 각 화합물은 이러한 수용체들을 약간씩 다르게 활성화함으로써 고유한 “발자국”을 남깁니다. 후각 구는 이 복잡한 신호를 신경 신호로 조합하고, 뇌의 후각 복합체라는 부위가 이를 해석합니다.

후각 칩 만들기

HKUST 연구원들은 가능한 모든 화학 물질에 대해 각각의 미세 수용체를 만드는 제약을 우회하여, 이 시스템을 복제하는 방법을 고안했습니다.

그들은 나노다공성 기판 위에 나노튜브 센서 배열을 조립하여, 칩당 최대 10,000개의 개별 주소 지정이 가능한 가스 센서를 구현했습니다.

이 데이터는 신경망 알고리즘에 의해 처리되어 특정 화학 물질의 “디지털 냄새” 인식으로 변환됩니다.

출처: HKUST

후각 칩의 잠재력

이 설계는 후각 칩이 동시에 12가지 이상의 화학 물질의 존재와 농도를 감지할 수 있는 잠재력을 제공합니다.

시연으로, 팀은 다양한 가스에 대해 뛰어난 민감도를 보이며, 혼합 가스와 24가지 서로 다른 냄새를 구별하는 능력이 탁월한 생체모방 후각 칩을 만들었습니다.

그 후, 이 후각 칩과 시각 센서를 로봇 개에 통합하여, 시각과 후각이 결합된 시스템을 구현했습니다. 이 시스템은 눈이 보이지 않는 상자 안의 물체를 정확히 식별할 수 있어, 실제 개와 매우 흡사합니다.

출처: HKUST

후각 칩 응용 분야

안전

후각 칩의 가장 즉각적인 적용 분야는 현재 대부분의 화학 감지기가 사용되는 안전 분야입니다. 여기에는 공장, 정수 처리 시설, 석유화학 산업, 파이프 누출 감지, 환경 모니터링(대기 오염 등)이 포함됩니다.

이 새로운 유형의 감지기는 기존 기술보다 한 번에 더 많은 화학 물질을 감지할 수 있어, 데이터 흐름이 확대되고 안전 평가가 향상됩니다.

방위 및 보안

로보독 프로토타입이 보여준 바와 같이, 이러한 감지 시스템은 눈에 보이지 않는 위협을 탐지하는 데 활용될 수 있습니다. 마약 밀수부터 폭발물 탐지까지, 후각 개가 사용되는 모든 상황을 AI, 자율 로봇, 후각 칩의 결합으로 시스템화할 수 있습니다.

수색 및 구조 작업에서도 파괴된 건물 아래에 갇힌 생존자를 찾는 데 후각 칩이 큰 도움이 될 수 있습니다.

식품 및 농업

대부분의 동물이 발달된 후각을 가지고 있는 이유는 음식이 먹을 수 있는지, 부패했는지를 판단하기 위해서입니다. 매우 민감한 후각 칩이 식품에 특화된다면 식품 산업에 큰 도움이 될 것입니다.

마찬가지로 농업용 드론이 과일의 숙성, 곰팡이 병, 곤충 페로몬 등을 감지하는 데 활용될 수 있습니다.

암 및 질병 탐지

일부 질병이 특정 냄새를 방출한다는 사실은 오래전부터 알려져 왔습니다. 고양이나 개가 암을 감지할 수 있다는 일화적 데이터는 이제 인공 센서를 이용해 도시 전설을 넘어선 과학적 증거로 입증되었습니다.

특히 여러 암이 이러한 방법으로 탐지되기 시작했으며, “전자 코”가 95% 정확도로 암을 탐지할 수 있습니다.

이 연구 결과는 펜(Penn)에서 개발한 도구가—인공지능과 머신러닝을 활용해 혈장 샘플에서 방출되는 휘발성 유기 화합물(VOC) 혼합물을 해독함—췌장암, 난소암 등 탐지가 어려운 암을 비침습적으로 선별할 수 있는 접근법이 될 수 있음을 시사합니다.

Penn Medicine News

우리는 또한 BrainChip (BRN.AX ) 과 같은 기업이 디지털 후각 감지를 이용해 혈액 샘플에서 박테리아를 탐지하는 사례를 보고 있습니다.

후각 칩이 더욱 민감해져 한 번에 수십에서 수백 개의 화합물을 감지할 수 있게 된다면, 이러한 발견은 암뿐 아니라 많은 대사성 질환을 포함한 다양한 질병 진단에 활용될 가능성이 커집니다.

현재 버전과는 달리, 피부나 호흡에서만 냄새를 감지해 혈액 샘플조차 필요 없게 될 수도 있습니다.

스마트폰 및 전자

완전히 실리콘 기반 시스템인 후각 칩은 스마트폰과 같은 우리 일상에 늘 존재하는 작은 전자 기기에 통합될 수 있습니다.

이것은 일산화탄소, 연기, 가스 누출 같은 위협을 지속적으로 모니터링하고 자동으로 감지하거나, 음식의 안전성을 판단하는 데 유용할 수 있습니다.

또한 요리 중 향신료를 인식하는 등, 보다 사소하지만 여전히 유용하고 대중적인 응용도 상상할 수 있습니다.

장기적으로는 “냄새 발생기”와 결합한다면, 스마트폰 간에 (가능하면 좋은) 냄새를 디지털 방식으로 전송하는 것도 가능해질 것입니다.

새로운 감각 획득

조금 더 먼 미래이지만 불가능하지 않은 응용으로는 이러한 후각 칩 기능을 인간 몸에 통합하는 것이 있습니다.

특히 일론 머스크의 Neuralink와 같은 인간‑기계 인터페이스가 빠르게 발전하고 있는 상황을 고려하면, 이러한 센서를 몸에 이식해 인간이 자연적으로 감지할 수 없는 수준 이하의 유해 화학 물질을 경고받게 할 수 있습니다. 혹은 전혀 감지할 수 없는 화학 물질도 마찬가지입니다.

“미래에는 적합한 생체 적합성 소재가 개발되면, 생체모방 후각 칩을 인간 몸에 부착해 일반적으로는 맡을 수 없는 냄새를 감지하게 할 수 있기를 바랍니다.

또한 호흡과 피부에서 배출되는 휘발성 유기 분자의 이상을 모니터링해 잠재적 질병을 경고함으로써, 생체모방 공학의 더 큰 가능성을 열어줄 수 있습니다.”

Prof. Fan Zhiyong

후각 칩 기업

후각 칩의 잠재력은 초기 몇 년간은 질병 진단부터 위협 탐지와 같은 명확한 사용 사례가 있는 “진지한” 응용 분야에 국한될 가능성이 높습니다. 따라서 이러한 분야에서 이 혁신으로 혜택을 볼 수 있는 기업들을 찾을 수 있을 것입니다.

(이 목록에는 후각 칩 및 센서에 강력한 잠재력을 가진 칩 기업들이 포함되지 않았으며, 그들의 매출 대부분은 여전히 “전통적인” 컴퓨팅 칩, 예를 들어 인텔의 뉴로모픽 칩이나 IBM의 SyNAPSE – 확장 가능한 에너지 효율적 신경시냅스 컴퓨팅 칩에 의해 주도될 가능성이 높습니다.)

1. BrainChips Holdings (BRN.AX)

이 인공지능 기업은 신경망 레이어 엔진(NPE)을 통해 인간 뇌를 모방하는 칩을 만드는 데 특화되어 있습니다.

자신들을 뉴로모픽 기술을 상용화한 최초 기업이라고 주장하며, 온칩 학습, 표준 머신러닝 워크플로우 및 온칩 컨볼루션 덕분에 IBM과 인텔 같은 주요 경쟁자를 앞선다고 보고 있습니다.

비전, 오디오, 후각 및 스마트 트랜스듀서 응용 분야에 집중하고 있습니다.

출처: BrainChip

이 때문에 이 회사는 후각 칩 진보로부터 큰 혜택을 받을 수 있는 매우 좋은 후보로 평가됩니다. HKUST의 발견을 직접 라이선스하거나 복제 시도, 혹은 나노튜브 센서 배열 데이터를 해석하는 데 필요한 하드웨어의 핵심 부품으로 자체 칩을 활용할 수 있습니다.

회사는 머신 비전과 후각 기능을 포함한 제품에 대한 거대한 잠재 시장을 보고 있습니다.

출처: BrainChip

BrainChip은 초기 비용과 로열티 스트림을 통한 라이선스 모델을 갖춘 고마진 IP 비즈니스 모델을 가지고 있으며, 시스템 통합업체와 협력해 최종 제품을 만들고 있습니다.

2. Honeywell

Honeywell은 감지 및 센서 분야의 선두주자로, 건물 자동화, 항공우주, 안전 등 산업에서 강력하거나 지배적인 입지를 가지고 있습니다(그 중 많은 항공우주 및 건물 관련 활동이 센서 기술과 연결됩니다).

센서 및 모니터링 분야의 인정받는 리더로서, 현재 제한적이지만 이미 수익성이 높은 가스 감지기의 범위를 전면적인 도구로 확대·상용화할 수 있는 최적의 위치에 있습니다.

출처: Honeywell

Honeywell은 또한 Quantinuum의 54% 지분 보유를 통한 양자 컴퓨팅과 우리 기사 “양자 컴퓨팅의 현재 상태”에서 논의한 비즈니스 부문에서도 앞서 나가고 있습니다.

또한 “액체 금속 프린팅이 제조·디자인 분야의 생산적 힘이 될 수 있다”에서 다룬 바와 같이 액체 금속 프린팅에도 활발히 참여하고 있습니다.

Honeywell은 이미 센서와 자동화 분야에서 거대한 기업이며, 혁신 기술 전반에 걸친 야심찬 목표를 가지고 있습니다.

따라서 생체모방 후각 칩이 단기적으로 경쟁자가 될 수 있더라도, 자체 R&D 혹은 소규모 기업 인수를 통해 후각 센서 시장 성장에 적응하고 혜택을 받을 가능성이 높습니다.