한국재료연구원(KIMS)이 인공지능(AI) 기반 ‘오토노머스 랩(Autonomous Lab)’으로 신소재 개발에 혁신을 일으키고 있다.
오토노머스 랩은 기존 복잡하고 오랜 시간이 걸리던 신소재 개발과정을 AI가 최적의 효율과 조건으로 실험조건을 찾고 이를 로봇이 자동실행 하는 첨단 연구시설이다.
특히 AI가 실험조건을 설계하면 이를 로봇이 자동 수행하고, 그 결과를 다시 AI가 분석해 다음 실험에 반영하는 과정을 반복하는 'AI-로봇-AI' 완전순환형 시스템으로 최적의 과를 도출할 수 있다.
이를 통해 수천 가지 실험조합 중 유망한 조건을 AI가 선별해 실험하고, 실험결과를 AI가 즉시 분석해 다음 실험에 반영하는 학습과정을 통해 설계를 더욱 정교하게 만든다.
때문에 기존 짧게는 수개월에서 수년이 소요되던 신소재 실험을 대폭 단축, 반복되는 실험 오류를 획기적으로 줄이면서 효율성을 극대화할 수 있다.
연구자는 실험실 장비를 조작하지 않고 컴퓨터에 명령을 입력하면 실험 전 과정이 자동화 시스템으로 연결돼 AI가 실험을 수행하고 결과를 분석해 새로운 실험 조건을 제시한다.
실제 입력한 명령에 따라 로봇팔이 금속 샘플을 집어 정확한 위치에 배치하고, 시편 제작을 위한 ‘아크 멜터(Arc Melter)’에 올려놓으면 고온으로 섬세하면서도 안정적으로 오차 없이 형상화 한다.
이 결과물은 고온 가열장비인 ‘튜브 퍼니스(Tube Furnace)’에서 열처리를 거쳐 완성하면, 다시 X선 회절기(XRD)에서 정밀분석을 진행한다.
연구자는 이 과정에서 장비를 직접 다루지 않고도 컴퓨터로 명령하면 된다.
이 같은 오토노머스 랩 도입으로 과거 수년까지 걸리던 금속합금 개발이 몇 주 만에 끝낼 수 있게 됐다.
첨단산업 소재기술 주도권 확보
오토노머스 랩 세 가지 핵심 시스템으로 구성된다.
우선 AI 기반 실험설계는 기존 인력으로 하던 실험조건의 시행착오를 없애고 수천 가지 조합 중 가장 가능성이 높은 조건을 자동 추천한다.
이어 장비 자동화와 로봇 핸들링 시스템으로 로봇 팔이 시편 제작부터 측정까지 모든 실험과정을 사람 개입을 최소화하면서 정밀 수행하며 오차를 최소화 하는 동시에 데이터의 신뢰성을 높인다.
아울러 실시간 데이터 분석과 순환 최적화 구조를 갖춰 AI가 실험결과를 즉시 분석하고 다음 단계 실험방향을 스스로 정한는 순환구조를 반복해 실험 정확도와 속도를 높인다.
특히 이 시스템은 빠른 실험 수행을 넘어 데이터를 끊임없이 누적하고 분석해 스스로 학습하면서 정교한 실험설계로 발전시킨다.
오토노머스 랩이 강화학습 알고리즘처럼 작동하는 셈이다.
KIMS는 이를 활용해 반도체, 2차전지, 수소에너지 등과 더불어 국방, 우주, 친환경소재 등 첨단 고난도 기술 연구를 수행할 예정이다.
이와 함께 향후 오토노머스 랩을 고도화해 디지털트윈 실험실 구축, 멀티모달 AI 모델 연동, 대규모 소재데이터 공개 등으로 발전킬 계획이다.
특히 다양한 형태의 숫자, 이미지, 실험값 등 데이터를 동시 활용할 수 있는 멀티모달 AI와의 결합은 소재 개발의 새로운 패러다임을 열 전망이다.
최철진 KIMS 원장은 “첨단 기술이 최고의 성능을 발휘토록 결정하는 핵심이 재료산업”이라며 “우리나라가 소재기술 주도권을 확보하고 미래 첨단산업의 중심에 서도록 힘쓰겠다”고 강조했다.
