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[2021 봄호] 3-자율 주행차의 핵심, SLAM

  • 장준
  • 2021-04-30 07:02:22

2021 SPRING 기획특집 3

자율 주행차의 핵심, SLAM

Development of Evs and Self-Driving Cars


앞서 자율 주행차 개발의 조건인 전기차의 모터와 배터리 성능을 높이는 방법에 대해 알아보았습니다.
하지만 이것이 자율 주행차에 필요한 전부는 아닌데요.
자율 주행차가 스스로 상황을 인식하고 장애물을 피해 움직일 수 있게 만드는 기술 또한 필요합니다.

그러면 지금부터 ‘자율 주행차의 두뇌이자 컨트롤 타워’라고 할 수 있는 SLAM에 대해 알아봅시다!

SLAM이란?

일반적인 자동차와 자율 주행차의 가장 큰 차이점은 상황 판단과 결정의 주체입니다. 일반적인 자동차는 운전자가 자신의 시각 정보를 바탕으로 상황을 판단하여 가속, 감속, 방향 조작 등의 결정을 내립니다. 하지만 자율 주행차는 운전자의 개입 없이 그러한 작업을 기계가 스스로 수행해야 합니다. 이를 위해 SLAMSimultaneous Localization and Mapping이 쓰입니다. SLAM은 기계가 주변의 환경을 인식하여 그 공간의 지도를 작성함과 동시에 자신의 위치를 파악하는 기술입니다. 센서 등의 정보 수집 장치를 통해 외부 상황을 인식하고 정해진 알고리즘을 거쳐 결과를 도출합니다. 따라서 SLAM은 자율 주행에 핵심적인 역할을 하게 됩니다.

SLAM을 이용해 주변의 장애물을 인식하는 자율 주행차

자신의 위치를 xt, 주변의 지도를 mt라고 해 봅시다. 주어진 정보를 바탕으로 xt와 mt의 근삿값을 추론하는 것이 SLAM의 목적입니다. 컨트롤 변수(기계의 조작과 관련된 변수)를 u, 센서 관측 변수를 o, 관측 시간 간격을 t라 두고, 아래에 있는 SLAM의 통계 모델을 살펴봅시다.



$$P(x_t|o_{1:t}, u_{1:t}, m_t)=\sum_{m_{t-2}}P(o_t|x_{t}, m_t, u_{1:t}) \sum_{m_{t-1}}P(x_t|x_{t-1}) P(x_{t-1}|m_t, o_{1:t-1}, u_{1:t})$$ $$P(m_t|x_t, o_{1:t}, u_{1:t})=\sum_{x_t}\sum_{m_{t}} P(m_t|x_{t}, m_{t-1}, o_t, u_{1:t}) P(m_{t-1}, x_{t-1}|o_{1:t-1}, m_{t-1}, u_{1:t})$$



위의 두 수식은 서로 연관되어 있습니다. 따라서 이 식들을 각각 독립적으로 계산할 수는 없고, 함께 고려하여 추론해야 합니다. 이러한 통계 모델의 수식을 해결하는 과정에서는 EM(Expectation Maximization) 알고리즘이 사용됩니다.

EM 알고리즘은 통계 모델의 수식을 정확하게 풀 수 없을 때, 최대 가능도Maximum Likelihood를 구하는 방법입니다. 최대 가능도는 말 그대로 가능도의 최댓값이며, 가능도는 표본을 바탕으로 모수(모집단의 특성)를 찾는 것과 관련이 있습니다. 모수는 우리가 모르는 값이고, 최대한 모수와 가까운 값을 추정하는 것이 궁극적인 목표인 것이죠. 우리가 관측할 수 있는 표본값들의 분포가 모수적 분포, 즉 모집단의 특성을 따른다고 가정하면 표본으로부터 가능도를구할수있습니다.표본을 $x_1, x_2, x_3 ,..., x_n$이라고할때 이들의 분포가 $f(x)$라는 모수적 분포를 따른다면, 그때의 모수 θ에 대한 가능도는 다음과 같습니다.



$$L(\theta;x_1, x_2, x_3, ..., x_n) = f(x_1; \theta)f(x_2; \theta)f(x_3; \theta)...f(x_n; \theta)$$



가능도를 최대로 만드는 모수 θ의 값을 추정하는 것이 EM 알고리즘입니다. SLAM에서는 EM 알고리즘을 통해 가능도가 최대가 되게 하는 모수 $x_t$와 $m_t$를 추정해 냅니다. 즉, 자신의 위치를 파악하고 주변의 지도를 작성하는 것입니다.

시각적 SLAM의 작동 과정

SLAM의 대표적인 종류에는 시각적 SLAM이 있습니다. 시각적 SLAMVisual SLAM은 카메라로 획득한 영상을 사용해 연속적인 이미지 프레임을 분석하고 특정한 점을 추적하는 원리로 작동합니다. 이러한 점은 3차원 상에서 특정 좌표를 가지며, 포인트 클라우드 라고 불립니다. 시각적 SLAM은 여러 포인트 클라우드 사이의 삼각 측량 [각주 1]을 통해 자신의 위치를 측정하고, 또 주변 환경의 지도까지 작성합니다. 포인트 클라우드를 추적하기 위해서는 이미지 프레임 내의 물체를 모델링해야 합니다.

시각적 SLAM의 포인트 클라우드


시각적 SLAM의 작동 영상이 궁금하다면?

시각적 SLAM의 작동 영상 보러가기


시각적 SLAM은 연속적인 이미지 프레임을 분석하기 때문에 한 지점을 나타내는 포인트 클라우드가 각 프레임별로 존재합니다. 카메라의 이동에 따라 프레임별로 포인트 클라우드의 위치가 어긋날 수 있으므로 이를 정렬할 필요가 있습니다. 이러한 정렬 과정에서 사용되는 알고리즘이 ICP(Iterative Closest Point)입니다. ICP는 기존 데이터에 현재 데이터를 추가할 때 사용됩니다. 각 데이터들에 대해 최단 거리에 위치한 점을 이용하여 연관성을 찾고, 그에 따라 현재 데이터를 이동하거나 회전하여 기존 데이터에 추가하는 것입니다. ICP는 정렬에 필요한 이전 및 현재 프레임의 포인트 클라우드를 입력으로 받아들입니다. 입력을 바탕으로 최적화된 6-DoF Camera Pose 행렬 [각주 2]을 출력하게 됩니다.

ICP 적용 전후 비교

ICP의 출력은 TSDF(Truncated Signed Distance Field)에 사용됩니다. ICP를 통해 정렬한 포인트 클라우드를 바탕으로 물체를 모델링하는데, 이때 사용되는 알고리즘이 TSDF입니다. TSDF는 물체의 표면을 기준으로 하여 각 픽셀별로 숫자를 부여합니다. 물체의 표면 위에 존재하면 0으로, 표면 바깥쪽에서는 1 이하의 양수로, 표면 안쪽에서는 -1 이상의 음수로 표현합니다. 숫자의 부호가 바뀌는 교차점을 찾으면 물체의 테두리를 찾을 수 있고, 해당 물체를 시각적으로 모델링할 수 있게 되는 것이죠.

SDF의 예시

SLAM에 대해 보다 자세한 내용을 공부하고 싶은 학생들은 아래의 버튼을 눌러 접속해보세요!

SLAM 더 알아보기


SLAM의 한계점과 극복 방안

SLAM은 현재 자율 주행차뿐만 아니라 로봇 청소기 등 여러 분야에서 사용되고 있지만 아직 완벽한 기술은 아닙니다. 앞서 SLAM의 통계 모델 수식에서 알아보았던 것과 같이, SLAM은 확률에 의존하여 위치($x_t$)와 지도($m_t$)의 근삿값을 찾는 알고리즘입니다. 따라서 오차가 전혀 발생하지 않을 수는 없습니다. SLAM은 매 순간 순차적으로 결과값을 추정하는데, 이때 오차가 한번 발생하면 그 오차는 시간이 지나면서 누적됩니다. 이럴 경우 잘못되거나 왜곡된 데이터가 나오게 됩니다. 이러한 오류를 줄여, 보다 정확한 데이터 생성이 가능하게 만드는 과정을 번들 조정이라고 합니다. 오차 발생 문제를 해결하는 방법은 장소의 특징적인 표지물의 정보를 키 프레임[각주 3] 으로 기억해 놓은 후, 이후에 이 특징을 기준으로 스캔하여 위치 추정의 오류를 최소화하는 것입니다.


지금까지 자율 주행차의 핵심 기술인 SLAM에 대해서 알아보았습니다!
내연 기관차의 성능을 따라잡지 못해 외면받아왔던 전기차였지만, 모터와 배터리의 발전을 통해 내연 기관차 시장을 위협하는 라이벌로 성장했습니다.
게다가 지금 이 순간에도 정교하고 안전한 자율 주행 알고리즘을 만들기 위한 노력이 계속되고 있습니다.
몇 년 전까지만 해도 상상만 했었던 자율 주행차를 현재는 도로에서도 볼 수 있는데요.
언젠가는 미래의 사람들이 “사람이 직접 운전을 했던 적도 있었어요?”라고 깜짝 놀라는 날이 오지 않을까요?


[각주]
[1] 삼각 측량; 삼각형의 한 변의 길이와 두 각을 알면, 나머지 두 변의 길이를 알 수 있다는 원리를 이용한 위치 측량 방법
[2] 6-DoF Camera Pose 행렬; 카메라의 이동을 전체 좌표계로 변환하는 행렬
[3] 키프레임; 모든 정보를 담고 있어서 가장 중심이 되는 프레임

[참고문헌]
1. Zhaoyang Lv, 『Visual SLAM 』, BORG lab, 2014
2. 「모바일 디바이스에서의 SLAM」. 『대한민국특허청 공개특허공보』. 2019.02.15
3. 강준오, 이용창(2020). “복층 건물 실내외 역설계를 위한 UAV 및 LiDAR SLAM 조합 효용성 검토”. 한국국토정보공사 「지적과 국토정보」 제50권 제2호 p. 69-79.
4. 「SLAM 맵들로부터의 광역 위치인식」. 『대한민국특허청 공개특허공보』. 2014.04.29

ALIMI 25기 전자전기공학과 장준

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[2020 겨울호] 1 - 물리학과가 본 고속도로∙귀성길

  • 장준
  • 2021-03-12 09:00:15

2020 WINTER 공대생이 보는 세상 1

물리학과가 본 고속도로∙귀성길
Dept. of Physics






“전방에 과속 단속 구간입니다!”

내비게이션 안내음이 들리자마자 아빠께서 브레이크를 밟기 시작하시네. 그런데 자동차의 과속은 어떻게 단속하는 거지?

고정식 과속 단속 카메라의 원리

과속 단속 카메라는 크게 고정식 단속 카메라이동식 단속 카메라로 나눌 수 있어.

고정식 단속 카메라는 자동차 번호판의 사진을 찍는 용도로만 사용되고, 속력을 측정하는 감지선은 도로 바닥에 깔려 있어. 감지선에 흐르는 전류로 인해 발생한 자기장 위로 도체인 자동차가 지나가면 전자기 유도 법칙 Faraday’s Law of Induction에 따라 자동차에 전류가 유도돼. 이 유도 전류로 만들어진 자기장은 다시 움직이며 바닥의 감지선에 유도 전류를 흐르게 하지. 그래서 일정 거리만큼 떨어진 두 감지선에 유도 전류가 흐르는 시간 간격을 측정해서 속력을 계산할 수 있어.

이와 달리 이동식 단속 카메라는 카메라에서 방출하는 파동의 도플러 효과 Doppler Effect에 따른 변화를 감지하여 차량의 속력을 측정해. 도플러 효과는 파원과 관찰자의 상대 속도에 따라 파동의 진동수와 파장이 변하는 현상이야. 카메라에서 레이저나 초음파를 쏘면 자동차에 반사되어 카메라로 되돌아오는데, 이때 도플러 효과에 의해 파동의 진동수와 파장이 변한 정도를 측정하여 속력을 계산하는 거지.

“전방에 급커브 구간입니다!”

과속 단속 구간이 끝나니까 이번엔 급커브 구간이네. 그런데 급커브 구간에서는 도로가 약간 기울어진 것 같은데, 기분 탓인가?

자동차가 급하게 회전할 때 회전 방향의 반대로 몸이 기울어지는 경험을 다들 해 본 적이 있을 거야. 이러한 힘을 원심력이라고 하는데, 원심력이 심해지면 큰 사고가 날 수도 있어. 이를 방지하기 위해 급커브 도로에서는 차량 회전의 중심 방향으로 10도 정도의 경사를 만들어 놓지. 이렇게 의도적으로 만든 경사를 편경사라고 불러.

편경사가 있는 곡선 도로를 주행할 때 자동차가 받는 힘

편경사가 있으면 자동차는 경사면의 아래 방향으로 힘을 받게 되겠지? 이 힘이 원심력을 상쇄시켜서 자동차가 안정적인 주행을 할 수 있도록 하는 거야. 그래도 편경사를 믿고 급커브 구간에서 과속하면 절대 안 되겠지? 원심력의 크기는 차량 속력의 제곱에 비례해서 커지기 때문에 편경사가 있더라도 속력이 커지면 사고가 발생할 수도 있어.

그럼 부모님께서 안전 운전하실 수 있도록 얘기해 드려야겠다! 안녕!

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[2020 가을호] 2 - 리퍼브리케이터와 로켓 회수 기술

  • 장준
  • 2020-10-23 16:04:05

2020 FALL 기획특집 2

리퍼브리케이터와 로켓 회수 기술
Space Exploration


로켓 발사 기술을 확보했다면 다음으로 넘어야 할 산은 비용 문제겠죠?
지구를 떠난 우주선에 필요한 부품을 매번 지구로부터 공급받는 것은 비용이 많이 듭니다.
따라서 우주선 내에서 부품을 만들 수 있는 리퍼브리케이터라는 재사용 3D 프린터가 개발되었습니다.
최근에는 로켓을 회수하여 재사용하기도 하는데요. 로켓을 재사용하면 발사 비용을 크게 절약할 수 있죠.
이렇듯 재사용을 통해 비용 절감에 큰 역할을 하는 리퍼브리케이터와 로켓 회수 기술에 대해 알아 보도록 할까요?

리퍼브리케이터 (Refabricator)


먼저 리퍼브리케이터 Refabricator가 무엇인지부터 알아 보겠습니다.
리퍼브리케이터는 나사 NASA와 3D 프린터 스타트업인 테더스 Tethers가 공동으로 개발한 재사용 3D 프린터로, 플라스틱으로 물건을 프린팅한 후 이를 다시 녹여 새로운 물건을 프린팅 할 수 있습니다.
겉으로 보기에는 소형 냉장고 크기의 작고 단순한 장비 같지만, 이러한 리퍼브리케이터의 진가는 우주선의 부품에 문제가 생겼을 때 발휘됩니다.
지금까지는 우주선의 부품을 교체하기 위해서 지구에서 로켓을 발사해 부품을 조달해 왔습니다.
하지만 이렇게 매번 로켓으로 부품을 공급하는 데에는 너무나 큰 비용이 들죠.
이때 리퍼브리케이터를 사용해 우주선 내에서 필요한 부품을 직접 만들어 교체할 수 있습니다.

이렇듯 리퍼브리케이터가 우주선의 유지 및 보수 비용을 크게 줄일 방법임은 분명합니다.
그러나 플라스틱을 재사용하여 만든 부품이 우주의 극한 환경을 버틸 수 있는가에 대해서는 의문이 생길 수 있죠.
기존의 여러 재사용 3D 프린터는 플라스틱을 가루로 분쇄한 후 접착제로 붙여 프린팅 하는 접착제 분사식이었습니다.
이 방식으로 만든 결과물의 내구성은 접착제의 접착력에만 의존해야 했기 때문에 우주의 환경을 버티기 어려웠습니다.
하지만 리퍼브리케이터는 플라스틱을 녹여서 재사용하므로 접착제를 이용해 강제로 붙이는 방법보다 결과물의 내구성이 좋습니다.
플라스틱 분자 간의 결합을 해치지 않으면서 플라스틱의 형태를 바꿀 수 있기 때문입니다.


리퍼브리케이터는 현재 재사용된 재료의 결합 특성을 국제 우주 정거장 ISS에서 실험 중이며, 올해 12월에 지구로 돌아올 예정입니다.
나사의 관계자는 실험 중인 리퍼브리케이터의 프로토타입이 임무를 성공적으로 마치면, 앞으로 거의 모든 우주선에 리퍼브리케이터가 탑재될 것이라고 말했습니다.

로켓 회수와 재사용

발사된 로켓을 회수하여 재사용하는 기술은 우주선의 발사 비용을 획기적으로 줄일 방법입니다.
전체 발사 비용의 절반 정도를 차지하는 1단 로켓을 재사용하면, 새롭게 로켓을 제작하는 것보다 약 30%의 비용을 절감할 수 있습니다.
로켓을 재사용하기 위해서는 발사된 로켓을 회수한 후, 세척하고 수리하여 다시 작동이 가능한 상태로 만드는 작업이 필요합니다.
이러한 재사용 로켓의 개념은 40여 년 전 우주왕복선 프로젝트에서 처음 도입되었습니다.
그러나 회수한 로켓을 수리하는 과정에서 예상보다 큰 비용이 발생해 당시에 프로젝트는 중단되었습니다.
그러던 와중, 2011년에 민간 우주 기업 스페이스X에서 팰컨 9을 이용한 로켓 회수 기술을 실험하기 시작했고, 이후 수직 이착륙 로켓 회수와 재사용을 성공적으로 수행했습니다.

활주로에 착륙하는 우주왕복선 엔터프라이즈 호
활주로에 착륙하는 우주왕복선 엔터프라이즈 호

로켓 재사용 기술에서 가장 중요한 부분은 발사된 로켓을 안전하게 회수하는 과정입니다.
그러면 지금부터 로켓을 회수하는 여러 방법에 대해 알아 볼까요?
먼저, 우주 왕복선처럼 큰 날개가 있는 로켓을 활공 비행으로 활주로에 착륙시키는 방법이 있습니다.
활공할 때 충분한 양력을 받기 위해서는 로켓의 크기가 커야 합니다.
크기가 커질수록 우주선의 구조가 복잡해지고 설계하는 데 큰 비용이 들기 때문에 비용 절감의 효과는 떨어집니다.
그래서 로켓 재사용의 장점이 줄어들게 되죠.

다음으로, 낙하산을 이용해 로켓을 회수할 수도 있습니다.
로켓 랩 Rocket Lab의 일렉트론 로켓과 같은 소형 로켓은 낙하산으로 착륙이 가능합니다.
소형 로켓에 작용하는 정도의 중력은 낙하산이 만드는 공기 저항이 충분히 상쇄시킬 수 있기 때문입니다.
하지만 대형 로켓은 낙하산으로 착륙시키기 어렵다는 한계점이 있습니다.

로켓 랩(Rocket Lab)의 일렉트론 로켓 회수
로켓 랩(Rocket Lab)의 일렉트론 로켓 회수

앞서 언급한 두 가지의 로켓 회수 방법은 각각 명확한 한계점을 갖고 있습니다.
그래서 최근에는 여러 기업과 연구소에서 수직 이착륙을 통한 로켓 회수 기술을 활발히 연구 중입니다.
이륙할 때 사용한 엔진을 착륙 시에 재점화하여 지면으로 추진제를 분사하면 낙하 속력을 줄일 수 있습니다.
스페이스X의 팰컨 9은 발사체와 탑재체가 상공에서 분리된 후 남은 추진제를 분사해 낙하 속력을 줄이고 원래 발사했던 장소에 수직으로 착륙합니다.

수직 이착륙 로켓 회수에 필요한 기술

우주에서 자유 낙하하는 로켓을 원하는 곳에 수직으로 착륙시키는 것은 매우 어려운 작업입니다.
그렇다면 수직 이착륙 로켓을 회수하는 데에는 어떤 기술들이 필요할까요?

가장 먼저, 로켓 하부가 매우 높은 온도를 견딜 수 있도록 설계해야 합니다.
로켓이 낙하하면서 발생하는 충격파가 공기를 강하게 압축시키면 공기는 단열 압축하고, 이에 따라 로켓 표면에는 수천 도의 고온이 발생합니다.
따라서 수직 이착륙 로켓이 대기권에 재진입할 때 공기와 맞닿는 로켓 하부에 열차폐막을 설치할 필요가 있습니다.
열차폐막은 우주선 표면의 고온이 내부로 유입되는 것을 막는 부분으로, 내구성과 내열성이 좋은 세라믹을 많이 사용합니다.

또한, 수직 이착륙 로켓은 착륙 시에 낙하 속력을 줄이기 위해 엔진을 재점화합니다.
그래서 연료를 연소시킬 산화제를 기존의 로켓보다 많이 실어야 합니다.
산화제로는 액체 산소가 주로 쓰이는데, 액체 산소의 밀도를 높여야 로켓에 효율적으로 실을 수 있습니다.
액체의 부피는 온도가 높을수록 열팽창에 의해 커지므로, 온도를 낮춰야 액체의 밀도가 높아집니다.
스페이스X의 팰컨 9은 산화제의 온도를 기존보다 더 낮춰 밀도를 높임으로써 탑재할 수 있는 산화제의 양을 늘렸습니다.
마지막으로, 로켓이 원하는 착륙 지점으로 정확하게 이동하고 자세를 유지할 수 있도록 하는 반작용 조정 시스템 RCS, Reaction Control System이 필요합니다.

작용-반작용 법칙에 따라 로켓은 추진제를 분사한 반대 방향으로 힘을 받게 됩니다.
따라서 로켓의 여러 부분에 있는 엔진을 상황에 맞게 점화하여 추진제를 분사하면 로켓의 자세를 원하는 데로 바꿀 수 있습니다.
이를 통해 로켓의 진행 방향을 바꿔 목표 지점에 착륙할 수 있게 되는 것입니다.


지금까지 ‘재사용’을 통해 우주선의 발사 비용을 줄이는 방법들을 알아 보았습니다.
이러한 비용 절감은 민간 우주 산업의 발전에 큰 영향을 주는데요.
국가 기관보다 예산 규모가 작은 민간 우주 기업이 우주 산업에 뛰어들기 위해서는 비용 절감이 필요하기 때문이죠.
그래서 스페이스X나 블루 오리진 등의 민간 우주 기업은 재사용 기술의 개발에 많은 노력을 기울이고 있습니다.
이러한 노력을 바탕으로 성장한 민간 우주 기업은 최근 화성 탐사 분야에 적극적으로 투자하고 있는데요.
그렇다면 지금부터 화성 탐사에 대해 알아 볼까요?


기획특집 ③ - 화성 탐사 편으로 이어집니다.

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[2020 여름호] 2019 노벨 생리의학상

  • 장준
  • 2020-09-03 08:16:02

2020 SUMMER Hello Nobel
노벨상
2019 노벨 생리의학상
"산소 농도에 따른 세포의 반응과 적응"


2019년 노벨 생리의학상은 그레그 서멘자 교수(존스홉킨스 의대), 피터 랫클리프 교수(옥스퍼드대), 윌리엄 케일린 교수(하버드 의대)가 수상했습니다. 이들은 유기체 내에서 세포가 산소 농도 변화를 감지하고 이에 적응하는 메커니즘을 밝혔습니다. 암세포도 이 메커니즘에 따라 산소가 부족한 환경에서 적응하기 때문에, 암세포의 특정 인자를 조절함으로써 암세포 전이를 막는 것이 가능할 거라는 전망입니다.

2019 노벨 생리의학상 홈페이지


그레그 서멘자 교수 Gregg L. Semenza

미국 존스홉킨스 의과대학 교수

피터 랫클리프 교수 Peter J. Ratcliffe

영국 옥스퍼드대 교수

윌리엄 케일린 교수 William G. Kaelin Jr

미국 하버드 대학교 교수

세 명의 수상자들은 이미 2016년에 래스커 기초의학상 Albert Lasker Award for Basic Medical Research을 공동으로 수상했습니다. 래스커상은 지난 73년간 래스커상 수상자 중 87명이 노벨상을 받았을 정도로 생명과학 분야의 노벨상으로 평가받습니다. 그래서 이들의 노벨 생리의학상 수상은 학계의 많은 사람이 예상하였습니다. 서멘자 교수 등은 산소가 부족한 환경에서 세포의 반응을 밝힘으로써 암을 비롯한 질병의 치료 가능성을 제시한 공로로 지난 2019년 노벨 생리의학상을 수상했습니다. 세포가 주변 환경의 산소 농도 변화에 따라 어떻게 반응하고 적응하는지를 알아낸 것입니다.

사람은 호흡을 통해 얻은 산소를 에너지로 변환하여 생명을 유지합니다. 따라서 주변의 산소 농도 변화에 세포가 빠르게 적응해야만 신진대사를 정상적으로 유지할 수 있습니다. 과격한 운동을 하거나, 산소가 부족한 고산 지대에 있거나, 몸에 상처가 났을 때는 체내의 산소 농도가 떨어집니다. 이때 인체는 산소 농도 감소를 감지하여 산소를 운반하는 적혈구와 혈관을 새롭게 생성합니다. 서멘자 교수 등은 산소 농도 감지 작용이 특정 장기에서뿐만 아니라, 체내 전체에 걸쳐 일어나는 활동이라는 것을 밝혔습니다. 또한, 이러한 과정은 적혈구 생성인자인 EPO Erythropoietin와 단백질 복합체인 HIF Hypoxia-inducible factors에 의해 조절된다는 것을 발견하여 EPO와 HIF에 대한 연구를 진행했습니다. 연구진은 산소가 체내에 충분히 있을 때는 HIF 단백질이 분해되어 사라지지만, 산소가 부족한 환경에서는 HIF가 분해되지 못한다는 것을 확인했습니다. 즉, 세포가 저산소 환경에 놓이면 HIF 농도가 증가하면서 세포 내 산소 농도를 안정화하는 것입니다.


산소 농도에 따른 HIF의 작용

산소 농도가 정상 농도인 경우 [Normoxia]
- HIF에 하이드록실기(-OH)가 붙고, 단백질을 분해하는 분자인 프로테아좀 Proteasome이 HIF를 분해합니다.

산소 농도가 낮은 경우 [hypoxia]
- HIF는 분해되지 않고 세포핵의 ARNT Aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator와 결합하여, 저산소증을 조절하는 DNA 부분인 HRE Hypoxia-Response Element에 붙습니다.

이들의 연구는 암 치료를 비롯한 다양한 의학 분야에 활용할 수 있 을 것으로 평가받습니다. 암세포는 일반적인 세포보다 빠르게 증식하기 때문에 종양이 자라는 속도를 주변 혈관의 형성 속도가 따라가지 못합니다. 따라서 종양의 안쪽에 있는 암세포는 혈관으로부터 산소를 제대로 공급받지 못하는 경우가 발생합니다. 이 경우, 안쪽에 있는 암세포에서는 산소 농도 안정화를 위해 HIF가 증가하게 됩니다. 이때 HIF를 조절하여 암세포의 산소 공급을 차단하면 암세포의 전이를 제어할 수 있는 것입니다.

암 치료뿐만 아니라 장기 이식 수술과 줄기세포 연구에도 HIF의 메커니즘을 활용할수 있습니다. 장기를 이식하기 위해 신체로부터 장기를 분리하거나, 줄기세포 연구를 위해 줄기세포를 제작하는 과정에서 세포의 산소 부족이 나타날 수 있습니다. 이때 HIF 메커니즘을 응용하면 세포에 오랜 시간 동안 안정적으로 산소를 공급할 수 있을 것입니다.

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