코로나19 확산 방지 및 종식 역할 활용사례 소개
[아이티비즈 김문구 기자] 매스웍스코리아(대표 이종민)는 26일 ‘매트랩 엑스포 20201 코리아’를 온라인으로 개최하고, 다양한 산업에서 매트랩(MATLAB) 및 시뮬링크(Simulink)를 통해 딥러닝, 5G 등 최첨단 기술을 접목시켜 모델을 효율적으로 개발 및 검증한 사례를 발표했다.
이번 ‘매트랩 엑스포 2021 코리아’에서는 리차드 로브너 매스웍스 부사장이 ‘글로벌 팬데믹 사태로부터 인류를 구하는 과학자와 엔지니어(Scientists and Engineers Save the World)’에 대한 기조연설을 통해 매트랩 및 시뮬링크를 활용해 신종코로나바이러스감염증(코로나19) 확산 방지에 기여하는 혁신 솔루션을 개발한 사례와 향후의 코로나19 종식을 위한 매트랩 및 시뮬링크의 역할을 소개했다.
또한, 케빈 코핸 매스웍스 제품 마케팅 관리자와 애드 마르케스 매스웍스 시뮬링크 제품 책임자가 매트랩 및 시뮬링크의 신기능을 발표했다.
◇ 글로벌 팬데믹 사태로부터 인류 구하는 과학자·엔지니어
리차드 로브너 매스웍스 부사장은 2019년 말부터 2020년 말까지의 코로나19 확산 과정을 돌아보며, 엔지니어와 과학자들이 매트랩 및 시뮬링크를 통해 코로나19 예방 및 치료, 그리고 근무 및 교육 환경의 비대면 전환을 성공적으로 지원한 사례를 발표했다. 이는 지난 한 해 동안의 약 400건 이상의 매스웍스 기반 코로나19 대응 개발 사례 중 가장 많은 주목을 받은 사례들만을 추린 것이다.
리차드 로브너 부사장에 따르면, 전세계 엔지니어과 과학자들은 코로나19 역학조사와 봉쇄전략 수립뿐 아니라 치료제 및 백신 개발과 새로운 의료기기 설계 및 제작에 매트랩 및 시뮬링크를 활용했다.
① 코로나19와 연관된 최초 폐렴 사례 WHO 보고 & 사람 간 전파 역학조사
중국 질병예방통제센터와 세계보건기구(WHO) 연구원들은 중국 전역의 과학자들과 최초 확진 사례 425건의 전파 역학 조사에 매트랩을 활용해 코로나19 관련 ‘평균 잠복기간(5.2일)’ 및 ‘기초감염재생산수(R0, 2.2명)’를 계산했으며, 올해 1월 그 결과를 ‘뉴잉글랜드 의학저널’에 공개했다. 이러한 분석 결과는 지금의 상황에 비추었을 때, 정확한 결과로 평가된다.
② WHO의 팬데믹 선포 & 영국 기업 ‘캠브리지 컨설턴트’의 47일만에 산소호흡기 설계
WHO의 글로벌 팬데믹 사태 선포 이후 영국 정부가 지속적인 코로나19 환자 치료를 목적으로 시행한 ‘벤틸레이터 챌린지 영국(Ventilator Challenge UK)’ 정책 하에, 캠브리지 컨설턴트는 매트랩 및 시뮬링크를 활용한 모델 기반 설계를 통해 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.
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”고 말했다.
③ 공공장소 소독을 신속하고 비용효율적으로 지원하는 자율 이동 로봇(AMR)
인간의 개입없이 스스로 판단 및 작동하는 오토노머스 로봇, 그리고 원격 제어 로봇은 신속하며, 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.
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 단축시켰다.
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.
④ 원격강의 체제 확산
코로나19 상황이 심각해지면서 학계에도 디지털 변혁이 전례 없는 속도와 규모로 진행됐다. 매스웍스는 학계에서 빠른 속도의 디지털 변혁의 문제를 해결했다. 캘리포니아 대학교 데이비스 캠퍼스 전기전산공학과 교수 안드레 크누센 박사는 겨울학기 기말고사를 앞둔 시점에서, 웹 환경의 인터랙티브 매트랩 교육 콘텐츠인 ‘MATLAB zyBook 개요’를 통해 자신의 수업 과정(공학 문제 풀이)을 원격 수업 방식으로 단 몇일 만에 쉽게 전환했다.
이 콘텐츠는 매트랩 그레이더(MATLAB Grader) 및 매트랩 코드 자동 채점 기능을 통해 신속한 수업 진행을 도왔으며, 이 외에도 라이브 에디터(Live Editor), 매트랩 모바일(MATLAB Mobile), 씽스피크(ThingSpeak) 등 매트랩 기능을 사용하여 비대면 상황에서도 학생들에게 다양한 교육 콘텐츠를 풍부하게 제공할 수 있었다.
스웨덴 샬머스 공과대학교의 크리스토프 데마지에르 교수는 매트랩, 매트랩 그레이더 및 매트랩 온램프(MATLAB Onramp) 등 온라인 학습 툴을 통해 원자력 시스템의 결정론적 모델링에 관한 강좌를 온라인으로 전환해서 진행하고 있다. 현재 해당 강좌의 진행 결과가 좋아서 팬데믹 이후에도 온라인으로만 진행할 계획이다.
이 밖에도, 매스웍스는 전세계 2,300개 이상의 대학에서 온라인 학습 툴을 통해 원거리 수업 방식으로 신속하게 전환할 수 있도록 지원하고 있다. 매스웍스의 온라인 학습 툴을 통한 학계의 급속한 디지털 변혁을 보여주는 또 다른 통계로, 2020년 한 해동안 매트랩 온라인(MATLAB Online) 사용자 규모가 약 3배 증가하여 현재 150만명에 이른다.
⑤ 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 연구소와의 협력을 통해 10분안에 코로나19 감염을 진단할 수 있는 단백질 기반 종이 스트립 테스트를 개발하는 데 성공했다. 사익스 박사는 종이 스트립에 코로나19 감염여부 진단의 핵심 물질인 결합 단백질과 용액 채널을 모델링하는 데 매트랩을 사용했으며, 현재 검사 키트를 제조하는 단계다.
⑥ 2020년 후반 만성 코로나 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. 이러한 뇌 MRI 영상 분석 연구에서 연구원들은 뇌 영상 데이터 시퀀스분석에 매트랩을 적용해 속도를 높였다.
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. 매트랩으로 개발한 해당 알고리즘은 집중 감염 지역 주변의 전파 양상을 파악하고, 미감염 지역에서 최초 감염자의 위치를 파악할 수 있다.
이탈리아의 마리오 디 베르나르도 박사의 연구팀은 매스웍스 솔루션을 활용해 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.
⑦ 백신 개발
이스라일 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 있으며, 매트랩 기반 분석을 통해 백신 접종 후 SARS-CoV-2 S 감염 세포 비율을 파악하여 백신의 효과성을 입증했다.
◇ 매트랩 및 시뮬링크 새로운 기능
케빈 코핸 매스웍스 제품 마케팅 관리자와 애드 마르케스 매스웍스 시뮬링크 제품 책임자는 과학자와 엔지니어가 자신의 작업에 집중(FOCUS)하고, 복잡한 시스템 개발 시 원활하고 손쉽게 협업(COLLABORATION)하며, 혁신적인 아이디어를 프로덕션(PRODUCTION) 단계까지 빠르게 구현하는 매트랩 및 시뮬링크의 최신 기능들을 소개했다.
① 집중(FOCUS)
시뮬링크는 여러 스레드에서의 병렬적 시뮬레이션을 통해 대규모 시스템도 매우 빠른 속도로 시뮬레이션할 수 있도록 향상됐다. 시뮬링크 캐시(Simulink cache)는 시뮬레이션 또는 코드 생성 시 설계에 대한 자동적인 캐시 파일 생성을 통해 불필요한 모델 재구축을 방지하여 워크플로우 속도를 더욱 높인다. 이 밖의 속도 개선 사항에는 병렬 배열 연산, 자동적인 모델 프로파일링이 있다.
매트랩의 속도 또한 지속적으로 향상되고 있다. R2021a 버전을 기준으로, 고객 워크플로우의 평균적인 속도는 5~6년 전에 비해 2배 이상 빨라졌다. 매스웍스의 테스트 결과, R2020a는 6배 향상된 그래픽 렌더링, 2~25배 향상된 인덱싱 작업 성능을 제공하며, 딥러닝 분야에서도 R2020b~R2021a는 1.6배 높은 멀티 GPU 훈련 성능 및 2.5배 높은 CPU 추론 성능을 지원한다.
또한, 매스웍스는 더 높은 추상화 수준에서 작업할 수 있도록 하며, 코드 작성을 최소화한다. 시뮬링크 데이터 인스펙터(Simulink Data Inspector)는 지도, 문자 및 신호 데이터 작업 시, 코딩 없이 보다 강력하고 유연한 분석 및 탐색을 지원한다. 또한, 매스웍스는 대시보드 블록 기반의 간단한 시뮬레이션 조정 및 모니터링을 돕는다.
또한, 매스웍스는 ‘시뮬링크’를 통해 사용자가 생각의 속도만큼 빠르게 모델을 구축하고 편집할 수 있도록 지원하는 것을 목표로 손쉬운 드래그앤드롭, 클릭 및 키보드 기반의 모델 생성, 수정, 연결, 이동, 문서화를 지원한다.
② 협업(COLLABORATION)
개발 프로젝트의 크기, 복잡성 및 참여 인원 증가에 맞춰 원활한 협업을 지원하기 위해 매스웍스는 다양한 데브옵스 프레임워크 툴과의 통합을 지원한다. 또한, 다양한 파이썬(Python) 기반 프레임워크와 ONNX 포맷이 발전함에 따라 지속적인 인터페이스 개선을 통해 더 많은 레이어와 파일 포맷을 지원하고 있다. C, C++를 사용하는 매트랩 인터페이스의 기능도 개선됐다.
시뮬링크를 모든 유형의 모델과 복잡한 시스템에 대한 시뮬레이션 통합 플랫폼으로 만들기 위해 노력하는 가운데, R2021a에는 사용자 정의 코드를 모델로 가져오도록 지원하는 시뮬링크 코드 임포터(Simulink Code Importer)가 새로 추가됐다.
매스웍스는 복잡한 시스템 개발 시 협업을 보다 용이하게 하기 위한 소프트웨어 툴로 프로젝트를 제안한다. 프로젝트는 매트랩 및 시뮬링크 환경에서의 협업을 위한 단일 인터페이스로, 코드 및 모델을 더욱 신속하고 편리하게 구성, 관리, 공유할 수 있도록 돕는다. 프로젝트의 주요 장점으로는 워크플로우의 자동화, 파일 관리 및 작업 공유 간소화 및 지적재산(IP) 보호를 통한 다양한 내외부 관계자들과의 원활한 협업 촉진이 있다.
③ 아이디어를 프로덕션(PRODUCTION) 환경에 적용
아이디어를 프로덕션 환경에 구현하기 위한 강력한 설계 및 테스트, 자동 코드 생성, 그리고 자동생성된 코드의 기존 소프트웨어와의 통합 또는 하드웨어로의 배포를 지원한다. 프로덕션, 프로토타이핑, 데이터 획득 등 용도와 관계 없이 모든 하드웨어로 배포가 가능하다.
매트랩 코드와 시뮬링크 모델을 자동 테스트 및 검증하며, 통합 문제를 조기에 감지할 수 있다. 또한, 전문 소프트웨어 개발자가 아니더라도 앱 디자이너(App Designer)를 통해 맞춤형 매트랩 앱을 개발하여, 엔터프라이즈 및 프로덕션 시스템에 공유 및 배포할 수 있다. 뿐만 아니라, 최신 제품 업데이트에는 모델로부터의 매트랩 앱 자동 생성, 공동 시뮬레이션 지원이 포함된다.
