BY KATHERINE BAGLEY
앨리슨 다나 빅
나이: 17세
학교: 밀번 고등학교 (뉴저지주)
발명품: 스마트폰 기반 수질 검사기
앨리슨이 중학생일 때 그녀의 고향에는 거리가 침수될 만큼 큰 폭우가 내렸다. 당시 공무원들은 침수 때문에 상수원에 하수가 유입, 오염될 수 있다고 경고했다. 그리고 이 소식을 접한 친구들은 그녀에게 상수의 안전성을 신속히 검사할 방법이 없는지 물었다.
인터넷을 검색해 봐도 마땅한 비책을 찾지 못한 앨리슨은 아예 직접 검사 기법을 개발키로 결심했고 4년 후 스마트폰 카메라로 물을 촬영하면 박테리아의 밀도를 알려주는 애플리케이션 개발에 성공했다.
현재의 수질 시험 키트는 물 표본의 화학성분이나 물 속에 함유된 박테리아 종류의 파악에 18시간이 걸린다. 반면 앨리슨의 앱은 이처럼 전문적이지 않지만 우리가 알고 싶은 두 가지 답을 즉시 알려준다. 이 물이 음용 가능한지, 박테리아에 오염됐는지 여부가 그것. 앨리슨은 가장 일반적 수질 검사 시약인 ‘콜리러드- 18(Colilert-18)’의 색깔 변화로 이를 구현했다. 콜리러드-18은 오염수와 섞이면 노란색으로 변하며 오염도가 강할수록 색이 짙어지는데, 앱에는 앨리슨이 직접 개발한 노란색 농도 분석 알고리즘이 탑재돼 있다. 즉 사용자는 물과 콜리러드-18을 혼합한 뒤 스마트폰으로 촬영하기만 하면 된다. 현재 그녀는 미국 적십자사와 이 앱의 현장테스트를 진행 중에 있다.
대학 진학: 올 가을 프린스턴대학 입학이 예정돼 있다. 전공은 화학공학을 택했다.
라이언 에릭슨
나이: 18세
학교: 로스 알라모스 고등학교 (뉴멕시코주)
발명품: 휴대형 태양에너지 해수담수화 장치
에릭슨은 사막이 많고 건조한 뉴멕시코주에 살지만 바다를 향한 큰 꿈이 있다. 바로 바닷물의 염분을 제거, 음용수로 만드는 해수담수화다. 지난해 각 국가들의 대형 해수담수화 프로젝트를 공부하던 그는 저렴하고 휴대 가능하며 유해 박테리아를 걸러주는 자동화된 장치가 존재하지 않는다는 사실을 알게 됐다.
해안지대 거주자를 포함, 전 세계 수백만 명의 사람들이 깨끗한 식수를 얻지 못해 고통 받고 있음에도 말이다.
이를 계기로 그가 개발한 해수담수화 장치는 태양에너지에서 동력을 얻는다. 크기가 90㎝에 불과해 두 사람이 손쉽게 들고 이동할 수 있으며 모래, 숯, 플라스틱 병 등 주변에서 흔히 구할 수 있는 부품들을 사용해 제작비를 낮췄다.
작동 메커니즘은 이렇다. 먼저 바닷물이 모래와 숯으로 만든 필터를 거쳐 정제된 뒤 가열실로 보내진다. 여기서 태양에너지로 물을 끓여 수증기로 만든 다음, 냉각하면 염분이 제거된 담수가 생성된다. 이 물을 유명 휴대용 살균기 ‘스테리펜(SteriPEN)’으로 최종 정수하면 깨끗한 음용수가 되는 것이다. 스터리펜은 자외선으로 유해 박테리아를 살균, 물맛의 변화 없이 살균이 가능하다.
현재 에릭슨은 크기를 더 소형화한 차기모델 개발을 준비하고 있다.
대학 진학: 올 가을 캘리포니아대학 샌디에이고캠퍼스 전기공학과에 입학할 예정이다.
파람 자기
나이: 17세
학교: 플라노 이스트 시니어 고등학교 (텍사스주)
발명품: 자동차 배기가스 CO₂ 여과시스템
평범한 사람은 운전면허증을 취득하면 자동차를 몰아 볼 생각만 할 것이다. 하지만 파람은 난생 처음 운전대를 잡았을 때 유해 배기가스에 대한 생각이 머릿속을 떠나지 않았다. 그래서 자동차 배기관 끝에 끼워서 사용할 신개념 이산화탄소(CO₂) 여과시스템을 개발해냈다.
개발 초기, 파람은 조류(藻類)가 햇빛과 물만 있으면 CO₂를 먹고 산소를 배출한다는 데 주목했다. 이에 그는 조류를 가득 채운 용액에 LED의 빛을 제공하는 형태로 여과시스템을 설계했다.
조류가 배기가스 속 CO₂를 흡수, 산소로 전환해 배출하는 것. 필터나 화학물질을 이용하는 여타 여과장치들과 달리 환경친화적인 조류만으로 지구온난화 물질을 제거하는 셈이다.
이 발명품은 현재 특허 출원된 상태며 지난 5월 인텔 국제과학기술경진대회(ISEF)에서 미 환경보호청(EPA)의 ‘지속가능성 상’을 수상하기도 했다.
파람은 “여과시스템의 조류 교체 시기를 지금의 3~5개월에서 6개월로 늘리는 방안을 찾고 있다”며 “6개월은 자동차의 엔진오일 교환 시기로서 엔진오일과 함께 조류를 교체하면 운전자의 편의성을 높일 수 있을 것”이라고 밝혔다.
대학 진학: 올 가을 텍사스주 오스틴칼리지에서 의예과 과정(pre-med)을 공부할 계획이다.
에두아르도 페르난데즈
나이: 18세
학교: 칼헤이든 지역사회 고등학교 (애리조나주)
발명품: 3D 영상 지원 로봇 팔
페르난데즈는 5살 때 처음 무선조종 자동차를 분해했다. 그 후 집에 있는 물건은 성할 날이 없었다.
“장난감, 배터리, 모터, 회로 등 뭐든 분해해서 작동원리를 알아내지 못하면 성이 차지 않았죠.” 중학교 1학년에 이르러 그는 로봇제작 동아리에 가입, 미국 퍼스트장학재단이 주최한 전국로봇대회에 출전했다. 당시 만든 작품 중에는 지름 2m의 공을 2.5m 상공까지 던지는 로봇도 있었다. 축구 로봇이나 무인자율주행잠수정(UAV)의 설계·제작에 참여하기도 했다.
하지만 그의 최고 걸작은 뭐니 뭐니 해도 ‘EVROV 로봇 팔’이다.
이는 우주유영 중인 우주비행사가 물건을 들어 옮기는 작업에 활용하기 위한 용도로 개발됐다. 특히 페르난데즈는 로봇 팔에 3D 영상시스템을 적용, 우주선 내에서 원격조종을 할 때 물건을 정확하고 확실히 잡을 수 있도록 했다.
사실 페르난데즈의 아버지는 얼마 전 멕시코로 강제 추방당했다. 때문에 그는 요즘 가족을 위해 발명에 더욱 매진하고 있다.
“세상이 하룻밤 새 바뀔 수도 있음을 알았어요. 더 열심히 공부하고 시간을 알차게 써야 한다는 사실을 새삼 깨달았죠.”
대학 진학: 올 가을 애리조나주립대 기계공학과 입학을 앞두고 있다.
매튜 페더슨[좌측]과 블레이크 마그라프는 주석 기반 암치료법으로 올 5월 개최된 인텔 국제과학기술경진대회(ISEF)에서 1등을 차지해 7만5,000달러의 상금을 받았다.
매튜 페더슨, 블레이크 마그라프
나이: 18세
학교: 아카레인스 고등학교 (캘리포니아주)
발명품: 주석(Sn) 기반 암 치료법
페더슨과 마그라프는 초등학교 5학년 때부터 뭔가를 폭파하는 것을 좋아했다. 덕분에 부모님들은 무수한 인내심 테스트를 받았지만 말이다.
고교 2학년이 되면서 두 사람은 진정한 실험의 세계에 뛰어들었다.
당시 이들은 한 교사로부터 “주석을 주원료로 한 원자력발전소용 방사능 차폐재는 제대로 만들지 못하면 오히려 방사능을 증폭시킬 수 있다”는 설명을 들었다. 공교롭게 두 사람 모두 가족 중 암환자가 있었기에 한 가지 아이디어를 떠올렸다. 주석을 이용해 X선의 방사선량을 증가시키면 암 환자의 방사선 치료 효과도 높아지지 않을까 하는 것이었다.
이에 두 사람은 학교 생물학 실험실에서 이스트균으로 가짜 종양을 만든 뒤 주석 입자를 주입하고 X선에 노출시키는 실험을 실시했다.
X선이 주석 입자에 닿자 2차 방사선이 방출됐고 이스트균 사멸 효과도 한층 증진됐다. 이 결과를 바탕으로 두 사람은 주석 치료법을 적용하면 환자의 암세포 중 60%만 사멸시키는 기존 방사선 치료의 효과를 80%로 높일 수 있다는 결론을 내렸다.
페더슨은 “대학 입학 후 실제 인간 세포로 다시 실험을 해볼 계획”이라고 밝혔다.
대학 진학:페더슨은 현재 일리노이대학에 재학 중이며 MIT로의 편입을 고려하고 있다. 마그라프는 워싱턴대학에 입학할 생각이다.
알렉산더 길버트
나이: 18세
학교: 세인트올번스 고등학교 (워싱턴주)
발명품: MRI 명암 대비 개선 기술
길버트가 6살 때 한 친척이 자기공명영상(MRI) 검사를 통해 다발성 경화증 진단을 받았다. 그런데 1년 후 그 진단은 오진으로 밝혀졌다. “그때는 너무 어려서 오진이 한 개인에게 얼마나 큰 충격인지 제대로 알지 못했어요.” 하지만 중학교 시절 MRI에 대해 배우게 되면서 당시의 경험은 15세의 그를 미 국립보건원(NIH) 인턴십에 지원하도록 만들었다.
길버트는 그곳에서 MRI의 명암 대비를 개선, 신경질환 환자들의 진단 정확성을 높이는 기술을 개발하는 기염을 토했다. 이 기술을 적용하면 일반 MRI로는 발견이 어려운 조직 손상도 쉽게 찾아낼 수 있다.
MRI 시스템은 양자를 자극, 이들의 회전속도가 느려지는 패턴을 기록해 이미지를 만든다.
신체 부위에 따라 신호강도가 달라지는데 아무 것도 없는 부분이나 뼈는 신호가 약해 검은색으로, 지방과 골수는 밝은 색으로 표시된다. 길버트는 바로 이런 차이에 착안해 명암대비 개선 알고리즘을 설계했다.
그는 또한 이듬해 여름 매사추세츠종합병원에서 MRI 명암대비를 개선하는 또 다른 기술을 개발했다. 세포 속 핵산에 달라붙는 착색제를 주입, 회백질의 구조를 명확히 드러나게 한 것이다.
대학 진학:: 올해 MIT에 진학, 물리학 또는 생물물리학을 전공할 예정이다.
자오-케 친-리
나이: 16세
학교: 스투이페산트 고등학교 (뉴욕주)
발명품: 로봇 음성인식률 향상을 위한 능동형 소음 제거 기술
2006년 친-리는 미 방위고등연구계획국(DARPA)이 개최한 무인자동차경진대회 ‘그랜드 챌린지’를 TV로 지켜봤다. 이후 인공지능의 매력에 흠뻑 빠졌다. 고등학생이 된 그녀는 MIT 컴퓨터공학·인공지능연구소의 여름캠프에 지원했고 자율주행 지게차 ‘포키(Pokey)’의 개발에 참여했다.
인간 언어의 미묘한 어조 차이를 로봇이 정확히 인식토록 하는 것은 매우 어렵다. 배경 소음이 심한 환경이라면 더욱 그렇다.
“지게차라는 특성상 주변소음이 큰 장소에서 운용되는 포키 역시 다를 바 없었죠. 인간의 음성, 그리고 그 음성과 동일한 주파수를 가진 소음을 구분하지 못했어요.” 이의 개선을 위해 친-리는 독학으로 언어 처리에 관련 수학 및 컴퓨터 공학을 습득했고 결국 소음 제거 알고리즘 개발에 성공했다.
이 프로그램은 다양한 음성인식 장치에 적용될 수 있는데 친-리는 그중에서도 팔이 불편한 환자들을 위한 음성인식 휠체어에 채용됐으면 하는 바람이다.
대학 진학: 올해 하버드대학에 진학, 본격적으로 컴퓨터공학과 기계공학을 전공하게 된다.
자비에르 페르난데즈 한
나이: 17세
학교: 홈스쿨 (텍사스주)
발명품: 개발도상국용 올인원 쓰레기- 음식-에너지시스템
2005년 일본에서 개최된 만국박람회를 가족과 함께 찾은 자비에르는 우연히 국경 없는 의사회(MSF)의 부스에서 모의 난민수용소를 경험했다.
“그때까지 식수와 음식, 바람막이조차 없이 살고 있는 사람들이 있으리라고는 생각지도 못했어요. 이후부터 지속가능한 생활을 실현시켜줄 장치를 개발해보기로 결심했죠.” 이윽고 16살이 되던 2009년, 그는 개발도상국의 빈민촌이나 난민수용소에서 필요한 기본적 기능을 충족시켜줄 올인원시스템을 세상에 내놓았다. 이 기기는 다양한 기능을 보유하고 있지만 핵심은 하수처리를 통해 가축 사료를 만드는 것이다. 하수 처리 과정에서 발생하는 메탄 등의 유해가스를 조류(藻類)에게 먹일 연료로 변환, 공급하는데 최종단계에서 가축에게 먹일 바이오매스가 생산된다.
또한 자비에르는 유지관리의 효용성 증대를 위해 기존의 상용장치를 그대로 적용하거나 약간의 개량만 거쳐 부품으로 쓸 수 있도록 설계했다.
그해 그는 이 기기로 ‘아쇼카 레멜슨 발명대회’에서 대상을 차지했다.
최근 자비에르는 자기 혼자서 이만한 성과를 이뤘는데 팀을 이뤄 연구하면 얼마나 멋진 결과물이 나올지 궁금해졌다고 한다. 그래서 두 곳의 발명가 그룹을 찾아냈다. 국경 없는 발명가회(IWB)와 이노베이션 파운드리가 그곳이다. 두 곳 모두 가난하거나 교육 기회를 박탈 당한 사람, 그리고 공기 질이 낮은 곳에 거주하는 사람들의 문제를 해결하는 10대 발명가 모임이다.
대학 진학:스탠포드대학에서 산업디자인을 전공하기를 희망한다.
가브리엘 시
나이: 13세
학교: 르네상스 예술·추론고등학교 (워싱턴주)
발명품: 레고 로봇 액체시료 분주장치
가브리엘은 9살 때 이미 고등학교 로봇공학팀에 들어갔다. 11살 때는 모든 고교 과학 및 수학과정을 마스터한 뒤 워싱턴대학의 학부 및 대학원 과정에 등록했다.
그는 지금껏 다양한 액체시료 분주장치를 사용해본 경험이 있다. 이는 로봇 팔과 모터식 피펫(pipette)을 사용해 액체시료를 측정·이동·제어하는 기기로, 액체시료 분석의 필수 장비지만 가격이 대당 1~5만 달러에 달해 재정 여건이 좋은 연구실이 아니면 구비가 어렵다.
그래서 가브리엘은 워싱턴대학 병리학연구실에서 누구나 손쉽게 제작할 수 있는 자동화 된 액체시료 분주장치의 개발에 나섰다. 그가 사용한 부품은 다름 아닌 레고 완구다. 정확히 말해 학생들의 소형 로봇 제작에 많이 사용되는, 프로그래밍이 가능하도록 고안된 레고의 ‘마인드스톰(Mindstorm)’ 제품이다.
제작에 착수한지 1년 만에 그는 자신이 직접 만든 소프트웨어와 카네기멜론대학 로봇공학연구소에서 제공한 펌웨어를 가지고 시스템을 완성했다. 이 레고 로봇 분주장치는 DNA 염기서열 분석 등 정밀 바이오연구에도 활용 가능한 최소 5마이크로리터(㎕)의 액체시료를 컨트롤할 수 있다. 게다가 제작단가는 750달러에 불과하다. 돈 없는 중소 연구실과 대학 연구실도 결코 부담스럽지 않은 가격임에 틀림없다.
대학 진학: 고등학교 졸업 전이지만 이미 MIT에서 컴퓨터 생물학을 공부하고 있다.
사라 볼츠
나이: 16세
학교: 샤이엔 마운틴 고등학교 (콜로라도주)
발명품: 조류 바이오연료 효율 증진 기술
볼츠는 노는 데 정신이 없는 여느 10대가 아니다. 가족과 함께 스키와 하이킹, 캠핑을 즐기기는 하지만 실험을 하며 보내는 시간이 더 많다.
유년시절부터 화석연료 소비량 감소에 관심이 많았던 그녀는 중학교 진학 후 본격적인 대체 연료 연구에 나섰다. 그러던 중 대마유로 바이오연료를 만들고자 했던 고교 1학년 때 학회지에 실린 조류(藻類) 바이오연료 기사를 읽었다.
“웅덩이의 이끼로 연료를 만든다니 이보다 매력적인 아이디어가 없었죠.” 이후 그녀는 학교 인근의 대체에너지 기업이나 연구소들을 섭렵하며 지식을 쌓았고 급기야 집 차고에 광생물 반응기 등 조류를 키울 장비를 들여놓았다.
이렇게 볼츠는 조류의 먹이인 질소의 공급량을 조절하는 방식으로 생장 속도를 제어하는 실험을 했고 환경제어가 효소의 전사(transcription)를 증대시켜 연료 생산량을 늘릴 수 있음을 깨달았다.
향후 그녀는 이 같은 조류의 연료 생산량 증대가 조류 바이오플랜트의 단위면적당 연료생산량 증대로 이어지는지를 검증할 계획이다.
대학 진학: 아이비리그 대학, 또는 학부 중심 교양대학(liberal arts college)에 입학해 생화학이나 분자생물학을 전공할 생각이다.
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