Project

현대자동차 프로젝트 2 (2023 – 2024)

: 모빌리티 바디주행감성 확보를 위한 휴먼 SICKNESS 평가법 개발

[연구목표]







현대자동차 프로젝트 1  (2023 – 2024)

: 주행감성 확보를 위한 센터콘솔 진동 평가법 개발 및 강건구조 제시

[연구목표]





인공 지능 모델링 및 다중 스케일 시뮬레이션을 통한 실크 소재의 자동 최적 설계 플랫폼 개발


한국연구재단




연구내용



본 연구는 친환경, 생체 적합 재료인 실크의 각 활용 용도에 맞는 자동 최적 설계 플랫폼의 구현을 위해, 머신 러닝을 통하여 아미노산 서열과 물성의 관계를 정립하고 이를 이용하여 사용자가 요구하는 각 물성에 해당하는 아미노산 서열 설계를 반영하는 인공지능 자동 설계 프로그램의 개발을 목표로 한다.


연구실에서 보유한 실크 재료의 분자 단위 전산 모사를 위한 모델링 기법 및 전산 역학 해석 관련 자체 해석 프로그램, 그리고 머신 러닝 관련 프로그래밍 기술을 바탕으로 다중 스케일의 실크 디자인을 위한 특성을 정립한다. 또한 수집된 정보를 활용하여 인공지능 기반의 프로그램 개발을 진행 한다. 

실크 기반 고성능 생체적합재료 개발을 위한 바이오-기계 전산역학 연구




연구내용


본 연구에서는 실크를 기반으로 단백질 재료의 구조-물성 관계를 파악하여 protein engineering 의 design principle을 제공하고자 한다.

 

이를 위하여 전산역학 시뮬레이션을 통하여 우수한 물성을 가지는 실크들을 나노스케일에서 비교하고, 주요 구조들을 변이시키며 비교하고, 이에 따라 각 환경에서 어떤 변화를 가지는지 확인한다. 이를 통해 단백질 기반 재료의 각 요소가 물성에 어떤 영향을 미치는지 분석하고, 이상적인 재료 제작을 위한 design principle을 제공하고자 한다.


종양 DNA 검출기법개발

한국연구재단


연구내용


본 연구에서는 암에 결렸을 경우 혈액중에 떠돌아다니는 암DNA을 검출함으로써 암진단을 할 수 있는 센싱기법을 개발하는 것을 목적으로 한다.

그림은 검출 방법을 보여주는 개략도다. 검출에 이용된 MutS 단백질은 단일염기변이(mutationa)를 인식하여 그 부위에 달라붙기 때문에 정상 DNA 에 대하여 단일염기 변이를 갖는 돌연변이 DNA 를 선택적으로 검출할 수 있다.

공진주파수 기반 센서인 공진기에는 Probe DNA 가 고정되어 있어서 돌연변이 DNA 가 상보 결합을 하고 추가적으로 단일염기변이 위치에 MutS 가 결합을 한다. 공진주파수는 질량의 변화에 따라 변하기 때문에 질량이 큰 금나노입자(AuNP) 를 MutS 에 미리 부착시킴으로써 큰 질량 변화를 야기하여 신호증폭효과를 얻어낸다.


나노물질의 독성 실시간 모니터링 시스템 개발

국가 나노그린 테크놀로지 연구

연구내용

나노물질은, 표면적의 증가에 따라 전혀 다른 새로운 물리화학적 성질을 나타내는데, 일부 연구결과에 의하면 나노물질이 폐포 를 통과 하여 뇌, 신경, 심장, 생식기관 등 다양한 인체조직으로 분포될 뿐만 아니라 이들 조직에서의 활성산소 생성, 염증 및 발암 등 다양한 독성을 발현한다는 정거가 제시되고 있음


메커니즘 연구를 위한 Dynamics-IT-BT 융 복합 전산역학 모델 연구

한국연구제단 중견협동연구

연구내용

본 연구에서는 단백질 변형에 의한 질병유발의 원천적 질병 억제연구를 위하여 단백질 구조물에 대한 동적 특성 및 구조 변화 해석이 가능하도록 Dynamics(동역학)-IT(네트워크)-BT(바이오) 이론을 융합한 다중해상도 전산역학 모델을 개발하여, 단백질변형에 의한 질병역학의 핵심 메커니즘을 제시하는 것을 목적으로 한다.


알츠하이머 치매 질병 진단 및 사멸역학 연구를 위한 전산역학과 바이오 융합 전산모델 연구

한국연구재단 모험연구

연구내용

    아밀로이드(amyloid) 단백질은 알츠하이머 치매 질병 혹은 당뇨병 등을 발생시키는 원인이다. 특히 당뇨병 환자의 췌장에서 amyloid fibril이 증가함에 따라 인슐린을 분비하는 beta-cell이 줄어들어 당뇨병이 발생하게 된다. 

    amyloid fibril은 cross-beta structure라는 안정된 구조를 가지기 때문에 기계적인 특성을 연규하는 것이 매우 중요하고 이미 AFM실험이나 시뮬레이션을 통해 역학적 특성 Young’s modulus가 수 TPa정도 된다는 것이 확인 되었다.

    본 연구에서는 당뇨병의 원인이 되는 hIAPP fibril의 기계역학적인 특성을 연구할 계획이며, 특히 cross-beta structure의 종류에 따라, 또한 fibril의 길이에 따라 구조의 안정성이 어떻게 달라지는지 연구하고자 한다.

    본 연구에서는 계산 양을 줄이면서 단백질의 기계역학적 특성을 잘 모사할 수 있는 탄성 네트워크 모델을 사용하였고, 정규모드해석으로 amyloid fibril의 bending, torsion, stretching의 고유 진동수와 모드를 계산한다. 또한 물성치를 계산하기 위해 연속체 이론인 Euler Beam theory를 사용한다.


MEMS / NEMS 기술을 이용한 암세포 포함 생체분자의 검지기술 연구 및 단 분자의 나노 기계적 특성 연구 


연구내용

AFM을 이용한 암세포 검지 기술 연구 본 연구에서는 원자력 현미경(Atomic Force Micro scope)과 Nanobead를 이용하여 생체내의 암세포를 효율적으로 검지하는 기술을 연구하였다. 수 nano 단위의 Nanobead의 분포에 대한 관찰은 다른 기타장비로는 한계가 있으나, 수십 나노까지는 관찰이 가능한 AFM(Atomic Force Micro scope)를 이용하여 Nanobead를 생체물질 검지를 위한 Probe로 사용하여 표면적 증가의 경향성을 파악하였다.

AFM을 이용한 단 분자 실험(Single molecule experiment)연구

연구내용

    본 실험에서는 세계적으로 주목받고 있는 단 분자 실험을 통하여 단 분자의 나노단위의 기계적인 성질을 파악하고 또한 본 연구실의 단백질과 같은 생체 분자의 Simulation 값들과 비교를 통하여 단 분자들의 특성을 연구한다. 이러한 연구는 Nano-Bio 분야에서 생체 분자들의 생체내 거동시 발현되는 기계적인 특성들을 관찰하여 이를 이용한 응용연구에 큰 역할을 담당하고 있다.

단백질의 진동 및 동역학적 특성 연구 


연구내용

    단백질 동역학(Protein Dynamics) 실험실에서는 기계공학 지식을 바탕으로 단백질의 수치분석을 위한 다양한 탄성 네트워크 모델링 기법을 개발하고 이를 활용하여 고분자(유전자, 단백질, 폴리머)의 동특성 및 구조 분석을 수행하고 있으며 궁극적으로 생명현상에 대한 전반적인 이해 및 인간 질병과 관련된 유전자 및 단백질의 생물학적 기능의 해석 예측, 그리고 신약 개발을 그 목표로 한다.

모델링 값과 실험치 비교

    Model Reduction 계산생물학 및 전산해석생물학분야에서 가장 중요한 요소로는 해석의 정확도와 계산의 효율성을 들 수 있다. 이 두 가지 요소를 모두 만족시키기 위해서는 대상 시스템의 물리, 화학, 그리고 생물학적 특성을 모두 반영하면서도 해석능력을 극대화하기 위한 최적의 모델링 기법 및 효율적인 컴퓨터 알고리즘이 필요하다. 

    현재까지는 슈퍼컴퓨터에서만 제한적으로 해석 가능한 고분자 시스템을 일전 컴퓨터에서도 해석 가능하도록 시스템의 고유 성질을 잃지 않는 범위 내에서 모델을 최대한 단순화하고 이 모델의 고유치 계산을 위한 빠르고 정확한 알고리즘을 개발하고자 한다.

인체-제품 적용성(Interaction) 평가기술개발 

    사용자 친화적인 인간중심 제품의 고부가 가치화를 위해서는 다양한 사용자의 인체 반응 특성에 맞게 제품을 설계할 수 있는 인체-제품의 안락성 평가 기술과 제품의 신뢰성 평가 기술이 확보되어야 한다. 

    제품개발 관련 국내외의 대부분 구는 제품 중심으로 설계되고 있어 사용자의 특성을 고려하고 있지 않은 실정이다. 

    본 세부 과제에서는 다양한 사용자의 신체적 특성과 제품에 사용되는 재료 특성의 분산을 고려하고 이들의 상관관계를 규명함으로써 제품의 신뢰성 평가 기술을 확립한다. 또한 소음 및 진동을 포함하는 제품특성에 대한 인체 반응을 통계적으로 분석하고 이를 이용하여 인체-제품 조화성 및 안락감 등 제품의 성능 지표(Performance index)를 개발한다. 이와 같이 인체-제품 저거용성 평가 기준을 확립함으로서 궁극적으로 인간 중심 제품 설계에 반영한다.

/ 과학재단 ERC 과제

연구내용

연구수행

최종 목표

스마트 팬 블레이드의 개발 

-완료- / 과학재단 특정기초과제

연구내용

    터보 머신은 타 기계류와는 달리 고속으로 회전하며 작동하는 기계로서 (10,000rpm ~ 100,000rpm) 얼마나 안정적으로 고속을 얻을 수 있느냐에 그 기술수준이 좌우된다. 본 연구에서는 아래의 터보 엔진 시스템의 팬 블레이드의 날개 끝단의 진동 저감을 위해서 기존의 합금재료로부터 진동특성과 공력성능이 월등히 우수한 섬유 강화 복합재와 점탄성재료로 대체하기 위한 이론 및 설계연구를 목표로 하고 있다.

    비행엔진 결함의 주요원인이 팬 블레이드의 손상에 있다는 보고에 의하면 티타늄과 같은 기존 금속으로 이루어진 팬 블레이드는 허브와 접촉부분에서 파손될 확률이 많아서 비행체에 치명적인 손상을 일으킬 수 있는 반면 복합재로 대체할 경우 비행 중에 새들이 엔진 안으로 밀려 들어올 경우 충격으로 인한 블레이드의 손상의 경우에도 particle의 형태로 파손되기 때문에 동적 응답 등 비생기의 안전도와 성능을 향상시킬 수 있다.

연구 수행

    날개 끝단의 진동 저감과 공력향상을 목적으로 하는 초기 비틀림각을 갖는 섬유강화 복합재료 박판보(pretwisted composite thin-walled beam)로 이루어진 팬 블레이드의 해석 모델링을 아래그림의 팬 블레이즈의 성능 인자들을 고려하여 개발한다.

관련 실적

비행 구조물의 공탄성 제어 연구

/ 국제공동연구 진행

연구내용

    비행구조물은 비행할 때 공기의 흐름이나 구조물의 관성, 탄성의 상호작용에 의해 임계상태에 도달할 수가 있다. 이 임계속도 비행에서는 점성이 제로가 되는 플러터 현상이 발생함으로서 구조물에 심각한 진동 현상이 생기게 된다. 또한 이러한 플러터 현상으로 인해 작은 외란에도 진동이 무한에 이르게 되고 파손에 이르게 되기 때문에 비행 설계의 속도의 제한에 플러터 해석은 필수적이다. 

특히 유체의 특성에 따라서 Inconpressible과 compressible 영역에서 시스템의 해석이 많은 차이를 보이게 되고 그에 따른 플러터의 현상도 많이 달라지게 된다. 또한 음속의 영역에서 천음속 영역에서의 플러터 해석과 플러터 해석 역시 달라지게 된다.

연구 수행

    본 연구에서는 플러터 현상을 해석하고 제어하기 위하여 플랩(flap)을 사용하여 Pole placement, LQR/LQG, Fuzzy, Robust등의 능동 제어 기법을 적용하여 플러터를 제어함으로써 비행 성능을 향상시키는 것을 수행하고 있다.

관련 실적

로터의 비틀림 진동에 의한 최종단 블레이트 날개의 손상 원인 규명

연구 수행

차세대 비행체의 날개의 성능 향상과 제어에 관한 연구 

/ BK 연구과제

연구내용

    본 연구는 공탄성 성능 향상을 위한 CAS 제작기법을 적용하여 초고속, 초정밀 차세대 비행체 날개 구조물에 대한 연구로서 초음속에 적합한 타원형 박판 복합재료 날개 구조물 설계를 목적으로 하여 관련 세부 연구는 다음과 같다.

연구 수행

점탄성-복합재 구조물의 진동 특성 연구 

과학재단 특정 기초과제

연구내용

    본 연구는 Viscoelastic Material(VEM) 이라는 Polymer, Rubber, Urethane, Epoxy, Enamel 등의 재료를 이용하여 구조물에 삽입함으로써 수동적으로 진동제어(Passive Vibration Control)를 획득하고자 함을 목적으로 한다.

    VEM을 이용한 기본적인 진동 제어 방식은 아래 두 그림과 같이 (A) free layer 와 (B) sandwich layer 의 방식으로 구조물에 점탄성 재료를 복합시킴으로써 진동을 제어하는 것이다.

    점탄성 재료를 이용한 수동 진동제어에는 어떤 인위적인 제어가 필요 없으며, 간단히 VEM을 복합시킴으로써 시스템의 댐핑을 부여함으로써 확실한 진동의 감괴를 확보 할 수 있다.

    응용분야로서, 금속 피로, 소음 빛 진동을 줄이기 위하여 항공기와 자동차의 내 외벽, 제트비행기의 엔진 입구 안 날개의 진동 및 소음제어와 수명을 늘리는데 적용되며, 헬리콥터의 블레이드 진동 및 그로 인한 소음제어와 내장된 장치의 정밀성을 향상시키기 위해서도 이러한 감쇠재료(VEM)를 적용하며, 그리고 그 밖에 건축물의 지진이나 바람으로 인한 진동을 제어하는 목적에도 적용이 가능하다.

연구 수행

현 연구 수행중인 부분은 위에 언급한 VEM을 이용하여 블레이드의 진동 제어로 회전하는 빔에 점탄성 재료를 삽입하여 진동 저감을 시키는 것이다.

헬리콥터 블레이드의 진동 및 동특성 개선

연구내용

    헬리콥터 블레이드의 진동특성 및 동특성을 개선하기 위한 연구로서 공탄성 성능 향상을 위한 CUS 제작기법을 적용하여 타원형 박판 복합재료 날개 구조물로 설계함.

연구 수행