[Top 10 Promising Technologies for the Future Selected by KISTI] From 4D printing to invisible cloak, revolution foretold

Park Hee-beom Nov 12, 2014

It is estimated that 4D printing will be a production technology based on smart materials that are assembled and change by themselves. Once the technology is realized, active response to user setting and product application environments will be possible. Therefore, the series of detection and response processes necessary for the existing technology can be omitted.

Using this technology, development of a functional system that not only assembles by items in extreme conditions, such as in the space, but also changes according to the environment will be possible.

However, validity of the technology, such as an implementation scenario, has not been confirmed yet. In addition, economic feasibility, such as the initial implementation cost, is analyzed to be an obstacle in the introduction of 4D printing system.

At present, MIT and University of Colorado at Boulder in the U.S. are developing a substance for dry environment and a 4D printing technology respectively.

#2 Cloud Environment Security Technology

A security technology to prevent hacking in cloud computing environment, users’ personal information leakage and damage (in personal level) by virus and delay and suspension of service connection (in organizational level) is estimated to be a promising technology for the future.

It will be possible to secure source technologies in Korea as long as the development of a hypervisor-based technology to detect and block attacks between virtual machines through virtualization system traffic analysis is carried out in advance.

Of course, existing security equipments also monitor network packets outside a computer and detect attacks. However, they have a weakness that detection and blocking of attacks occurring inside a virtualization system are difficult.

The level of security technology development in Korea is still in the beginning stage. Georgia Institute of Technology and North Carolina State University in the U.S. are conducting studies on security library for analysis of the internal states of vertical machines on hypervisor and also the ensuring of integrity.

A market surveyor Gartner estimated that the scale of cloud-based security service market would grow to $4.2 billion by 2016.

#3. Optogenetics

This technology is to selectively excite or suppress genetically manipulated nerve cells using light.

As cancer cell division can be prevented using LARIAT (light-activated reversible inhibition by assembled trap) technology, it draws attention for successful application to studies on cancer cell and cancer signal delivery. In particular, it is anticipated to serve as a shortcut to the development of a new treatment method for severe brain diseases.

The key is to secure safety as viruses are used in injecting optogenes. In the long term, a technology to safely insert protein genes, which are sensitive to light, must be developed to increase the possibility of clinical applicability of this technology.

In Korea, KAIST is developing an optogenetic technology to remotely control specific receptors located on cell membranes using light. KIST is also developing a synapse connection and neural network map production technology.

In the U.S. Standard University succeeded in activating nerve cells by irradiating light on rat brains using proteins extracted from green algae (channelrhodopsins).

#4 Lithium- Sulfur Battery

This is a large-capacity and safe cell technology to form Li2S by combining sulfuric nano substance with lithium at anode.

For the automotive industry in the future, electric vehicles using batteries is forecast to represent a large share. As much as so, it is drawing attention as a promising technology for the future.

Replacing the existing lithium ion battery, lithium ? sulfur battery is expected for a wide application to energy storage fields ranging from portable electronic devices to new energy.

Lithium ? sulfur battery is forecast to contribute to added value creation in parts, battery and device industries as well as improving competitive power of Korea’s mobile device industry.

In Korea, Umicore Korea announced a plan to open a lithium ion cathode material plant. In addition, L&F is conducting a study on cathode material products in line with the growth of medium to large-scale cell market.

In the U.S., a research team at Standard University succeeded in creating a lithium ? sulfur battery of a better performance to replace lithium cobalt oxide.

#5. Biomimetic Robot

Biomimetic robot creates tools or new technologies necessary in everyday life by mimicking the basic structures, principles and mechanisms of animals including human as well as insects and fish. This can be applied to all industrial, military and environmental fields.

Studies on ‘soft robot’ through the development of substances that are as soft and rigid as a tissue or a muscle of a living organism and also a technology to control the substances are spreading rapidly as of late.

Soft robot is useful for working in areas affected with disasters or of extreme environments, rehabilitation and aided medicine, drug delivery and game and entertainment fields. In particular, it is drawing attention to build an enormous ripple effect through integration with material processing industry, such as for 3D printing, and wearable electronics industry.

In Korea, Seoul National University is developing an insect reconnaissance robot with a stealth function that changes color according to the surroundings.

Abroad, Harvard University in the U.S. has developed a quad-pod robot and a jumping robot using a silicon ? rubber complex. In addition, University of Pennsylvania developed a search and rescue robot by combining a snake robot and a quad-copter.

#6. Autoimmune Therapeutics

This technology enables treatment for autoimmune diseases, which occur as self-immune tolerance mechanism of auto-antibody or auto-immune response T cell working in human immune system is destroyed by genetic or environmental factors (rheumatoid arthritis, systemic lupus erythematosus, ankylosing spondylitis, multiple sclerosis, psoriasis, asthma, ulcerative colitis, aphthous ulcer, intractable thyroid diseases and type 1 diabetes) by using physical, chemical and molecular cell techniques.

One in five people across the world is suffering from some types of autoimmune diseases. Therefore, the related market growth is expected.

In Korea, a clinical trial is conducted for Creagene using immunoregulatory dendritic cells in order to develop a fundamental treatment for rheumatoid arthritis.

In Japan, the University of Tokyo confirmed that ‘AIM,’ which is a protein found in large quantities in obese people, takes part in the outbreak of autoimmune diseases through a rat test. In the U.S., a bioengineering company Human Genome Sciences is developing a treatment for lupus.

#7. Intelligent Traffic System V2X

As attempts are being made to provide an experience to enjoy entertainment service in vehicles and to reduce the risk of car accidents, interest in smart car is increasing as of late.

While smart car businesses promoted by specific automotive or ICT companies are limited to being a service targeting individual vehicles, intelligent traffic system V2X technology enables users to exchange and share useful information including traffic conditions by continuously communicating with other vehicles and infrastructures installed on the road.

A weakness is that it cannot reflect the actual conditions 100%.

As for technological development, the Ministry of Land, Infrastructure and Transportation is developing a radar system to prevent accidents by delivering real-time information about obstacles, falling objects and road freezing state to drivers in order to supplement and also to replace the existing CCTV system.

In the U.S., studies are being conducted on emergency brake lamp warning, anterior collision warning, support in movement at crossroads and blind site and lane change warning. In Europe, the related technologies have been developed since the mid 2000s.

#8. Learning Analytics

Learning analytics enables real-time analysis of student data and an effective learning model establishment based on the analysis results.

This technology is drawing attention as it provides improvement or problem-solving effects by using bit data, which have not been possible with the existing systems or platforms.

In addition to academic records, data on students’ behaviors and characteristics are collected, and thus more abundant profiles are provided in a customized format.

‘Kickboard,’ which predicts students’ behaviors and supports customized curriculum design using various analytical techniques including data visualization, attracted a large-scale investment.

Related technologies include intelligent learning, media visualization, voice processing and recognition and social network analysis technologies.

In the U.S. University of Arizona is developing a technology to comprehensively analyze all data available for collection with a goal to understand individual students. In addition, Carnegie Mellon University is conducting a study on the shape of a web platform based on user experiences.

#9. Unmanned Vehicles

Unmanned vehicles refer to unmanned cars, unmanned aircraft and unmanned ships that are operated through remote control without people riding them. This technology is being used in real life by agricultural, logistics and delivery service industries.

As for unmanned aircraft, the operating cost is low and data can be acquired swiftly. Therefore, it is forecast to be effective in national land monitoring areas, such as map production and analysis of disaster-affected regions.

Drones had originally been developed for military use, such as targeting, reconnaissance and attack. Multipurpose drones are being developed and utilized recently.

In Korea, Korea Ocean Research & Development Institute plans to localize multi-purpose intelligent unmanned ships. For unmanned and automatic operation, it will develop ‘total solution for smart ships’ by 2018.

In the U.S. Google completed a test drive along Mountain View Street on the outskirt of California in April this year. It is developing technologies with a goal of unmanned vehicle commercialization before 2017. In Germany, DHL demonstrated an item delivery across the river in 2013 and is examining unmanned vehicle utilization for emergency freight transports to areas that are difficult to access.

#10. Metamaterial

Metamaterial has a negative refractive index, and thus makes light flow around an object, making the object invisible. This material can be applied to a range of fields including communications, transportation, satellite and national defense.

In addition to light, radio waves of a general wave motion, such as electromagnetic waves and sound waves, can be tailored for use. Therefore, this material can be used for stealth function.

Metamaterial is applied to super resolution imaging, super resolution lithography, ultra compact optical elements, high light emitting efficiency elements, low loss electromagnetic waveguide connection devices, directional antenna, polarization control elements, organic molecular analysis, next-generation display and high-density optical storage devices.

Yonsei University produced an acoustic metamaterial as the first in the world. KAIST increased the development potentials of various optical devices through integration between graphene and metamaterials. In addition, Korea Institute of Machinery & Materials is conducting a study on a technology to reduce noise level between floors in a building using acoustic metamaterials.

In Japan, RIKEN Institute succeeded in developing an optical metamaterial with refractive index lower than in vacuum that realizes 3D, isotropy and large area all at the same time.

Park Hee-beom | hbpark@etnews.com

[KISTI 선정 미래유망기술 10선]4D프린팅에서 투명망토까지...대변혁예고

4D프린팅은 스스로 조립되며 변화되는 스마트 소재를 기반으로 한 제품생산기술이 될 것으로 예상됐다. 실현되면 제품적용환경 및 사용자 설정 환경에 능동적인 대처를 통해 기존의 감지 및 대응체계에 따른 일렬의 프로세스를 생략할 수 있는 장점이 있다.

이 기술을 활용해 우주와 같은 극한 환경에서의 자가 조립은 물론, 환경에 따라 변환될 수 있는 기능적 시스템을 만들 수 있을 것으로 예상된다.

다만, 아직까지 구현 시나리오와 같은 기술의 유효성은 확실치 않다. 또 4D 프린팅 도입에 있어 초기 시행 비용 등 경제성이 걸림돌로 작용 할 것이라는 분석이다.

현재 미국 MIT와 콜로라도 볼더 대학이 건조환경을 위한 물질 개발과 4차원 프린팅 기술을 각각 개발 중이다.

#2 클라우드 환경 보안 기술

클라우드 컴퓨팅 환경에서 해킹, 바이러스 등으로 인해 사용자의 개인정보 누출?훼손(개인적 차원), 서비스 접속 지연?중단(조직적 차원) 등의 문제를 사전에 예방하기 위한 보안 기술이 유망할 것으로 예측됐다.

가상화 시스템 트래픽을 분석해 가상머신 간 공격을 탐지 후 차단하는 하이퍼바이저 기반 기술 개발이 선행된다면, 국내 원천기술력 확보가 가능할 것으로 점쳐졌다.

물론 기존 보안 장비가 컴퓨터 외부에서 네트워크 패킷을 감시해 공격을 탐지하지만, 가상화 시스템 내부에서 발생되는 공격행위는 탐지 및 차단이 어렵다는 단점도 있다.

국내 보안기술 개발 수준은 초기단계다. 미국 조지아 공대와 노스캐롤라이나 주립대 등이 하이퍼바이저 상에서 가상머신 내부 상태 분석을 하기 위한 보안 라이브러리와 무결성 보장을 위한 연구를 진행중이다.

시장조사 기관인 가트너는 클라우드 기반 보안 서비스 시장이 오는 2016년까지 42억 달러로 예측했다.

#3. 광유전학 기술 (Optogenetics)

빛을 이용해 유전적으로 조작된 신경세포를 선택적으로 흥분 혹은 억제시키는 방법을 이용한 기술이다.

광유도 분자올가미 기술을 이용해 암세포 분열을 막을 수 있어 암세포 연구와 암 신호전달 연구에 유용하게 활용될 것으로 기대를 모으고 있다. 특히 뇌 중증 질환을 치료하는 새로운 치료법 개발에 지름길이 될 것으로 기대하고 있다.

다만, 광센서 유전자를 주입하는 데 바이러스가 사용되기 때문에 안전성 확보가 관건이다. 장기적으로 빛에 민감한 단백질 유전자를 안전하게 삽입할 수 있는 기술 개발을 통해 임상적용의 가능성을 높이는게 숙제다.

국내에서는 KAIST가 빛으로 세포막에 위치한 특정 수용체를 원격 조정할 수 있는 광유전학 기술 개발중이다. KIST에서는 시냅스 연결과 신경망 지도제작 기술을 개발중이다.

미국서는 스탠포드대학이 녹조류에서 추출한 단백질(채널로돕신)을 이용해 생쥐 뇌에 빛을 쪼여 신경세포를 활성화하는데 성공했다.

#4 리튬-황 전지(Lithium-Sulfur Battery)

양극(cathode)에 황 나노물질을 이용해 음극(anode)에서 리튬과 결합해 Li2S를 형성하며 고용량 및 안전성이 확보된 전지 기술이다.

미래 자동차 산업에는 배터리를 사용하는 전기차가 큰 비중을 차지할 것으로 예상되며 큰 주목을 받고 있는 분야다.

기존 리튬 이온 전지를 대체해 휴대용 전자, 신형 동력 에너지 등 에너지 저장 분야에 폭넓게 응용될 것으로 예상된다.

국내 모바일 디바이스 산업 경쟁력 향상과 부품, 전지, 디바이스 산업의 고부가가치 창출에 기여할 것으로 예측됐다.

국내에서는 한국유미코아가 리튬 이온 양극재 재료 공장 건설을 발표했다, L&F는 중대형 전지 시장 성장에 맞춰 양극활물질 사업에 대한 연구를 진행 중이다.

미국은 스탠퍼드 대학 연구진이 리튬 코발트 옥사이드를 대체할 수 있는 더 나은 성능의 리튬-황 배터리를 만드는 데 성공했다.

#5. 생체모방로봇 (Biomimetic robot)

인간을 비롯한 동물이나 곤충, 물고기 등의 기본구조, 원리 및 메커니즘을 모방해 생활에 필요한 도구나 신기술을 만들어 내는 기술이다. 산업, 군사, 환경 등 전 분야에서 활용 가능하다.

생물의 조직과 근육처럼 부드러우면서도 충분한 강도를 갖는 물질 개발과 이를 제어할 수 있는 기술 등을 결합한 ‘소프트 로봇’ 연구가 최근 급속 확산중이다.

‘소프트 로봇’은 재난?극한 지역 임무수행, 재활 및 보조의학, 약물전달, 게임?엔터테인먼트 등에 유용하다. 특히 3D 프린팅 등 소재가공 산업, 웨어러블 전자기기 산업 등과 결합돼 막대한 파급력을 갖게 될 것으로 기대를 모으고 있다.

국내서는 서울대가 스텔스 기능과 주변에 맞춰 색깔을 변화할 수 있는 곤충정찰 로봇을 개발 중이다.

해외에서는 미국 하버드대가 실리콘 고무 복합체의 4족 로봇과 점핑로봇을 개발했다. 또 펜실베이니아대가 뱀 로봇과 쿼드콥터를 결합한 수색 및 구조 로봇을 개발했다.

#6. 자가면역질환 치료기술 (Autoimmune Therapeutics)

인체 면역계에서 작용하는 자기항체 또는 자가반응 T세포가 유전적, 환경적 요인으로 인해 자기관용성(SelfImmune Tolerance) 기전이 깨져 발생하는 자가면역질환(류마티스성 관절염, 전신홍반성 루푸스, 강직성 척추염, 다발성 경화증, 건선, 천식, 궤양성 대장염, 아프타구내염, 난치성 갑상선질환, 1형 당뇨병 등)을 물리, 화학, 분자세포학 등의 방법을 활용해 치료할 수 있도록 하는 기술이다.

세계 인구의 5명중 1명꼴로 일부 유형의 자가면역질환으로 고통을 받고 있어 관련 시장 성장이 기대된다.

국내에서는 크레아젠이 류마티스성 관절염의 근원적 치료제 개발을 위해 면역조절용 수지상세포를 이용한 임상시험을 진행 중이다.

일본은 도쿄대학이 비만인 사람에 많은 단백질인 ‘AIM’이 자가면역질환의 발병에 관여하는 것으로 쥐 실험을 통해 확인했다. 미국 생명공학기업인 휴먼지놈사이언스는 자가면역질환인 루푸스 치료제를 개발중이다.

#7. 지능형 교통시스템 V2X 기술

차량 내에서도 엔터테인먼트 서비스 이용경험을 제공하고 사고위험성을 줄이려는 시도가 이루어지면서 최근 스마트카에 대한 관심이 증가하고 있다.

특정 자동차 업체나 ICT 업체가 추진하는 스마트카 사업은 개별 차량 대상의 서비스라는 한계가 있지만, 지능형 교통시스템 V2X 기술은 차량이 주행하면서 도로 인프라 및 다른 차량과 지속적으로 상호 통신하며 교통상황 등 각종 유용한 정보를 교환 및 공유하는 기술이라는 측면에서 차이가 있다.

단점은 실제 상황을 100% 반영하기가 불가능하다는 것이다.

기술 개발은 국토교통부가 기존 CCTV 등을 보완하고 대체하기 위해 도로상의 장애물, 낙하물, 결빙 상태를 실시간으로 운전자에게 전달해 사고를 예방할 수 있는 레이더 시스템을 개발 중이다.

미국은 비상 브레이크등 경고, 전방 충돌 경고, 교차로 이동 지원, 사각지대 및 차선 변경 경고 등의 연구를 진행중이다. 유럽에서는 2000년대 중반부터 관련 기술을 개발해 왔다.

#8. 학습 분석 기술 (Learning analytics)

학습 분석기술은 학생 데이터를 실시간 분석하고, 이를 통해 효과적인 학습 모델을 구축하는 기술이다.

빅데이터를 활용해 기존 시스템이나 플랫폼이 제공할 수 없었던 개선 효과나 문제 해결이 가능해 주목받고 있다.

단순 성적 자료뿐만 아니라 학생의 행동, 성격 등 다양한 데이터를 수집해 보다 풍부한 프로파일을 맞춤형으로 제공한다.

데이터 시각화(Data Visualization) 등 다양한 분석 기술을 통해 학생의 행동을 예측하고 맞춤형 커리큘럼을 설계할 수 있도록 지원하는 ‘킥보드(Kickboard)’ 등이 대규모 투자를 유치하기도 했다.

관련기술로는 지능화된 학습 기술과 미디어 시각화 기술, 음성처리 및 인식 기술, 소셜네트워크 분석 기술 등이 있다.

미국은 애리조나 대학교가 개별 학생을 이해하기 위해 수집 가능한 모든 데이터를 통합해 분석하는 기술을 개발하고 있고, 카네기 멜론대학은 사용자 경험을 바탕으로 한 웹 플랫폼의 형태로 연구가 진행중이다.

#9. 무인수송기술 (Unmanned Vehicles)

자동차, 비행기, 배 등에 사람이 타지 않고 원격으로 조종해 운행 가능한 무인자동차, 무인항공기 무인선박 기술이다. 농수산업, 물류 배송 등 실생활에 적용중이다.

무인항공기는 운용비용이 저렴하고 데이터를 신속하게 취득할 수 있는 장점이 있기 때문에 재해지역의 분석, 지도제작 등과 같은 국토모니터링 분야에 효과적으로 활용될 전망이다.

초창기 드론은 표적, 정찰, 공격 등 군사용으로 개발됐다. 다목적 드론은 최근 들어 개발 및 활용되고 있다.

국내에선 한국해양연구원이 다목적 지능형 무인선을 국산화할 계획이다. 무인자동운항을 위해 오는 2018년까지 ‘스마트선박용 토털 솔루션’을 개발할 예정이다.

미국은 구글이 올해 4월 캘리포니아 외곽 마운틴뷰 거리에서 도심 주행을 마쳤다. 오는 2017년 이전 무인자동차 상용화를 목표로 기술 개발을 진행중이다. 독일은 DHL이 2013년 강 건너 지역에 물품 배송을 시연하고, 접근이 어려운 지역에 긴급 화물 수송시 활용을 검토 중이다.

#10. 메타물질 응용 기술 (Metamaterial)

음의 굴절률을 가지고 있어 빛이 물체를 타고 휘돌아 나가 물체가 보이지 않게 하는 기술이다. 이 소재를 활용해 통신, 운송, 위성, 국방 등 다양한 산업에 응용할 수 있다.

빛 뿐만 아니라 전자파, 음파 등 일반적인 파동의 전파를 재단할 수 있어 스텔스 기능으로 활용 가능하다.

초고분해능 이미징, 초고분해능 리소그래피, 초소형 광소자, 고발광 효율 소자, 저손실 전자기 도파로 연결소자, 지향성 안테나, 편광 제어 소자, 생체분자 분석, 차세대 디스플레이?고밀도 광학저장장치 등의 분야에 응용할 수 있다.

연세대에서 음향 메타물질을 세계에서 처음 제작했다. KAIST에서는 그래핀과 메타물질을 결합해 다양한 광소자 개발 가능성을 높였다. 기계연구원에서는 음향 메타 물질을 이용한 층간소음 저감기술을 연구중이다.

일본에서는 이화학연구소(RIKEN)가 진공의 굴절률보다 낮은 ‘삼차원’, ‘등방성’, ‘대면적’을 동시에 실현한 광메타물질 개발에 성공했다.

박희범기자 | hbpark@etnews.com

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