코로나19 팬데믹에 맞서 싸우는 과학자와 엔지니어

코로나19 글로벌 팬데믹 사태로 인해 지구상 인류는 모두 한번도 경험해 보지 못한 위험에 노출되는 경험을 하게 됐다. 점차 코로나19를 극복해 나가고 있는 지금 포스트 코로나 시대가 시작됐다.

코로나19(COVID-19; 신종코로나바이러스감염증) 글로벌 팬데믹에 맞써 인류를 구하기 위해 싸워 온 과학자와 엔지니어들에 대한 얘기를 들어본다. 지난 5월 진행된 ‘매스웍스 매트랩 엑스포 2021 코리아’ 기조 연설에서 리차드 로브너(Rechard Rovner) 매스웍스 마케팅 당담 부사장이 이들을 소개했다.

영국 기술 컨설팅 기업 ‘캠브리지 컨설턴트’, 팬데믹 선포 47일만에 산소호흡기 설계

WHO의 글로벌 팬데믹 사태 선포 이후 영국 정부가 지속적인 코로나19 환자 치료를 목적으로 시행한 ‘벤틸레이터 챌린지 영국(Ventilator Challenge UK)’ 정책 이 진행됐다. 영국의 캠브리지 컨설턴트(Cambridge Consultants)는 약 47일만에 코로나19 환자 치료용 ‘산소호흡기’를 설계했다. 이 산소호흡기는 흡기압, 산소수치, 호흡수 조절 등 다양한 기능을 수행한다.

물리적인 부품을 설계하는 대신, 모델 기반 설계를 통해 GUI 환경에서 인간의 폐와 산소호흡기 모델을 구축했으며, 설계를 구성하는 블록을 변경해서 다양한 상황에서 시스템 수준의 시뮬레이션을 진행함으로써 개발 시간을 대폭 단축시켰다.

매스웍스의 리차드 로브너 부사장은 모델 기반 설계를 통한 혁신의 이점과 관련해, “모델 기반 설계의 파워는 모델링 및 시뮬레이션을 컴포넌트뿐 아니라 전체 시스템, 그리고 모든 소프트웨어 및 하드웨어에 적용할 수 있다는 것이다. 과학자와 엔지니어는 모델 기반 설계 기법으로 생각했던 것보다 더 빠르게 혁신을 달성하고, 솔루션을 제공할 수 있을 것이다.”라고 말했다.

공공장소의 소독을 신속하고 비용효율적으로 지원하는 자율 이동 로봇(AMR)

인간의 개입없이 스스로 판단 및 작동하는 자율(Autonomous) 로봇, 그리고 원격 제어 로봇이 새로운 솔루션으로 등장했다. 이 자율로봇은 신속하고 비용효율적인 소독을 지원한다. 싱가포르에 본사를 둔 로봇 개발 공급 업체 ‘웨스톤 로봇(Weston Robot)’은 모델 기반 설계를 통해 코로나19 퇴치를 위한 3가지 종류의 자율 이동 로봇(AMR)을 설계했다.

첫째로, 4G 통신 기반의 소독 구역 제어 기능과 연계해 작동 가능한 ‘실외소독 로봇’을 단 10일 안에 완성했다. 둘째로, 자외선(UV-C광)을 활용하는 ‘실내소독 로봇’과 열 적외선 카메라 기반으로 섭씨 0.5도 단위의 정확한 체온 측정을 지원하는 건강 모니터링 및 위생 관리 담당 ‘체온측정 로봇’을 10일을 조금 넘긴 시점에 개발 완료했다.

리차드 로브너 부사장은 “매스웍스 매트랩 및 시뮬링크 기반의 모델 기반 설계를 도입하는 기업은 스마트 자율성(Smart Autonomy)을 갖춘 시스템을 개발할 수 있다.”라고 강조했다. 또한 웨스톤 로봇은 매스웍스의 첨단 툴에 기반한 모델 기반 설계를 통해 설계 단계의 문제를 신속히 파악 및 수정하고, 로봇 시제품 제작 속도를 가속화하여 개발 시간을 대폭 단축시켰다고 설명했다.

2020년 중반 신규 확진자의 급격한 증가 추세 지속
& 코로나19 진단 모델 개발 지원

인도의 연구원들은 ‘흉부 CT 영상’을 활용한 코로나19 감염 진단의 시간을 단축시키기 위해 매트랩과 딥러닝 툴박스(Deep Learning Toolbox)를 도입하여 육안으로 구분하기 힘든 패턴을 기준으로 코로나19 환자의 CT 영상을 분류해내는 AI 주도형 모델을 개발했다. 비슷한 모델을 개발한 데이턴 대학의 바라스 나라야난 박사는 “알고리즘 프로토타이핑 및 개발 과정이 매우 빠르고 쉽다”고 전했다.

2020년 여름, 코로나19 검사 수요가 병원의 진단 장비 수를 초과하는 시점에서, 보다 신속하면서도 신뢰도 높은 진단검사의 필요성이 높아지고 있었다. 매사추세츠 공과대학(MIT) 화학공학과 교수인 해들리 사익스 박사는 싱가포르와 MIT의 공동 연구 기술 센터인 스마트(SMART) 연구소와의 협력을 통해 10분안에 코로나19 감염을 진단할 수 있는 단백질 기반 종이 스트립 테스트를 개발하는 데 성공했다.

매스웍스의 설명에 따르면, 사익스 박사는 종이 스트립에 코로나19 감염여부 진단의 핵심 물질인 결합 단백질과 용액 채널을 모델링하는데 매트랩을 사용했으며, 현재 검사 키트를 제조하는 단계다.

2020년 후반 만성 코로나(long COVID) 증상과 부작용이 알려지는 시기

상하이 푸단 대학교, GE 헬스케어, 킹스 칼리지 연구원으로 구성된 개발 팀은 MRI를 활용해 완치 후의 코로나19 영향을 연구하고 있다. 코로나19 완치 환자 60명 집단과 건강한 지원자 39명 대조군의 뇌 MRI 촬영 영상을 비교, 기억력 및 후각을 관장하는 뇌의 미세 구조의 유의미한 변화를 발견할 수 있었다. 

MIT, 토론토 대학교, 요크 대학교의 연구원들은 코로나19 감염자의 장 감염으로 인해 배출되는 코로나19 바이러스가 남아있는 지역의 하수구를 조사해서 지역사회의 발병 가능성을 파악하고 통제하는 역할을 알고리즘을 개발했다. 

매스웍스는 “매트랩으로 개발한 해당 알고리즘은 집중 감염 지역 주변의 전파 양상을 파악하고, 미감염 지역에서 최초 감염자의 위치를 파악할 수 있다.”고 전했다.

이탈리아의 마리오 디 베르나르도 박사 연구팀은 지역별 6개 변수의 역학관계 및 지역 간 사람의 이동을 반영해서 지역 단위의 코로나19 통제 정책의 효과를 분석했다. 그 결과 감염통제에 있어 지방 단위의 정책이 전국 단위의 접근방식만큼 효과적임을 밝혀냈다. 연구팀은 매스웍스 솔루션을 활용한 것으로 나타났다.

리차드 로브너(Rechard Rovner) 매스웍스 부사장은 또한 코로나19 백신 개발과 관련한 소개를 이어갔다. 이스라엘 생물학 연구소(IIBR)는 코로나19의 인간 세포 침투 물질인 ‘스파이크 단백질’을 다른 종류(SARS-CoV-2 S 단백질)의 단백질로 대체하는 방식으로 백신을 설계하고 있다. 여기에서는 “매트랩 기반 분석을 통해 백신 접종 후 SARS-CoV-2 S 감염 세포 비율을 파악하여 백신의 효과성을 입증했다.”고 설명했다.