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“미래 도시에서 생활하는 개인이나 기업이 사용할 수 있는 식물 관리시스템을 만드는 것이 첫 번째 목표입니다. 이후 사막이나 극지, 우주와 같은 극한환경에서도 쓸 수 있는 농장시스템을 만들려고 합니다.”

임평옥 뉴바이올로지전공 교수는 지난 3년 동안 최지환 정보통신융합공학전공 교수, 이강택 에너지시스템공학전공 교수 등 DGIST 내 8명의 교수 그리고 여러 연구원과 함께 그린 바이오 콤플렉스(Green Bio Complex, 이하 GBC) 연구를 진행하고 있다. 이 교수는 “도시생활을 하는 현대인이 작물과 동물을 더욱 깨끗하고 손쉽게 기를 수 있는 환경을 만들려는 것”이라고 덧붙였다.

GBC 연구는 크게 세 단계로 이뤄질 계획이다. 2020년까지 자급자족할 수 있는 식물 시스템을 구축하고, 5년 동안 본격적인 도시형 식물 생육시스템과 에너지환경을 갖춘다. 마지막으로 기존의 자연환경과 다름없는 폐쇄된 인공 생태 공간을 만든다. 10년 이상 걸리는 장기프로젝트다.


식물의 생육 상태를 이미지로 안다
연구의 첫 단추는 데이터 수집이다. 적·녹·청색 가시광선과 형광, 적외선, 다중분광, 3D 등 5가지 종류의 특징을 가진 카메라로 식물의 생장과정을 일정 시간 간격으로 촬영해 얻은 이미지를 데이터화한다. 임교수는 “사람 몸의 내부 상태를 자기공명영상(MRI)으로 진단하는 것처럼, 식물에 상처를 내지 않고 내부의 생리적 상태를 분석하는 방법”이라며 “진단 신호가 되는 이미지 정보를 데이터로 관리하는 시스템을 만들어, 일생동안 식물이 필요로 하는 생육환경을 원활하게 제공할 것”라고 말했다.

연구팀은 일 차 대상 식물로 애기장대를 선정했고, 이미지 정보를 해독해 215가지 생리적 지표들로 생육상태를 정량화할 수 있는 기술을 개발해 학술지 ‘프론티어즈 인 플랜트 사이언스’에 지난 2월 23일에 발표했다. 애기장대는 크기가 손가락 두 마디 정도로 작고, 2만8000여 개의 유전자가 모두 밝혀져 있다. 생애 주기도 3~4주로 짧아 식물연구에 유리한 조건을 갖추고 있다. 임 교수는 “환경을 조절할 수 있는 작은 시스템을 만들어 테스트하는 중이며, 국내 대표 작물인 상추와 미니토마토로 생육 조절 연구도 병행하고 있다”고 설명했다.

연구팀은 애기장대와 미니토마토 등을 대상으로 식물 생육 조절의 토대를 마련한 뒤, 더 많은 식물로 확대해 갈 계획이다. 최 교수는 “머신러닝, 딥러닝을 접목해 시스템이 스스로 진화해 제어하는 방법을 찾게 할 것”이라고 말했다.

DGIST 내 기초과학연구원 식물노화수명연구단 류재일 박사가
애기장대의 생장 상태를 카메라로 찍기 위해 장비를 작동하고 있다.
 

지속가능한 에너지 시스템 도입이 최대 난관
현재 테스트용 GBC 시스템은 에너지원으로 기존의 수소연료전지와 리튬이온배터리를 사용했다. 이 교수는 “한 생물계가 선순환하려면 에너지가 안정적으로 공급돼야 한다”며 “에너지 지속가능한 공급을 위해 차세대 고체 산화물 연료전지 등을 연구하고 있지만, 아직 적용가능한 단계는 아니다”고 설명했다.

임 교수는 “이제 첫걸음을 뗀 것”이라며 “대용량 배터리를 개발하거나 바이오폐기물을 연료로 재활용하는 것처럼 신개념 에너지 공급방법을 찾아 효율을 높일 예정”이라고 말했다.