Norman Edmund Inspiration Award — $5,000 상당의 제품 캐나다, University of Waterloo — 지원자 Shahid Haider
매일 같이 타인에게 영감을 주는 (특히 어린아이) 연구를 추구하며 그들의 생애에 직면한 질병을 치유하고 의료과학을 발전시키기 위하여 과학 및 기술 분야에서 새로운 장비를 개발. 제1형 당뇨병의 포도당 지수를 측정하고 검사하기 위하여 손가락 끝을 찌르는 것에서 벗어난 Haider의 의료기기는 포도당 농축 정도를 예측하기 위하여 안구 수양액의 full field image를 보여주는 비접촉식 휴대용 시스템을 이용함으로써 환아들의 당뇨병 검사를 쉽게 만들어 줍니다. 이러한 프로젝트의 우수한 점은 고해상도 detector와 결합한 편광 상태의 이미지 캡처를 위해 동시 기법을 개발한 점입니다. 이는 단일 detector 상에서 캡처되기 때문에 아이의 손에 딱 맞는 소형의 디자인이 가능해집니다. 당뇨병 검사와 관련된 고통을 제거하고 안구, 신장 그리고 심장 손상을 줄여 주는 이러한 기기는 당뇨병에 시달리는 환아들의 삶을 질적으로 향상시키는 직접적인 잠재력을 갖고 있습니다.
dynamic pupillary light reflect (PLR)를 기반으로 소아 신경 발달 질환을 검사하는 소형의 휴대용 장치를 개발하여 신경 발달 검사 시 신체에 가해지는 고통을 제거. PLR 검사는 소형 손전등의 빛에 반응하는 동공의 역동적인 변화를 분석하며 이루어집니다. 이토록 간편하고 빠르며 완벽한 비침습성 검사는 뇌 신경의 풍부한 정보를 알려 줍니다. 미 소아학계는 전체 소아의 12%가량이 신경 발달 장애를 갖고 태어난다고 추정하고 있습니다. Thompson Center for Autism and Neurodevelopmental Disorders(자폐증 및 신경 발달 장애 연구 톰슨 센터)에서 근무하는 팀원들의 도움으로 현재 진행되는 프로젝트는 환자의 예후를 현저히 향상시켜주는 초기 치료법을 제시할 수 있도록 영아의 자폐증을 초기에 진단할 수 있는 정확하고 객관적인 기법이 필요한 긴급 임상 치료에 초점을 맞추고 있습니다. 이러한 의료 기기가 갖는 궁극적 목표는 이번 프로젝트의 기술을 임상 의사와 연구원들이 좀 더 꾸준히 이용하여 더 많은 사람에게 이익을 가져다 주고 잠재된 가능성을 완벽하게 알아내는 것입니다.
다양한 연구 분야를 위해 설계되는 소형의 휴대용 유동 세포분석 시스템 개발에 기여할 수 있도록, 산란광 감지를 위한 향상된 micro-chips 연구. Motosuke 박사의 micro-chip은 적은 제조 공정이 요구되는 미크로 기계 가공 절차로 만들어집니다. 현재 시장에서 판매되는 유동 세포분석 시스템은 크기가 크고 고가입니다 - 이는 개발 도상국이나 빈곤국에서 사용하는 데 있어서 상당한 제한을 줍니다. 이러한 프로젝트의 진행은 소형의 일회용 chip을 제작하여 휴대가 가능한 저가의 유동 세포분석 시스템을 미래에 사용할 수 있도록 하는 것입니다. 개발도상국이나 빈곤국에서 일하는 의사들이 환자들을 위해 휴대용 세포분석 시스템을 사용할 수 있도록 하는 것이 이번 프로젝트의 궁극적인 목표입니다. 이러한 micro-chip은 훈련을 적게 받은 사람들이 사용하기에도 매우 쉬우며 반면에 높은 반복성을 제공하기 때문에 매일 의료 진료를 하는 더 많은 의사 및 임상 치료사들에게 중요하게 활용될 수 있습니다.
레이저 빔 상에 인코딩된 정보를 포함한 light pulse를 optical crystal로 최대 1분간 완전히 동결 및 저장하는 프로젝트 개발. 이러한 프로젝트는 light pulse를 완전 정지 상태로 만들고 (혹은 동결 상태) 이를 광학 기억 장치에 저장해 후에 자유자재로 방출하도록 하는 것입니다. 그의 팀은 양자 역학을 기반으로 미래의 고성능 정보 기술을 위한 광학 기억 장치를 개발 중에 있습니다. 양자 컴퓨터는 전자 컴퓨터의 한계를 뛰어넘는 빠른 처리 속도와 높은 성능을 운영합니다. 광학 양자 컴퓨터는 light pulse를 포획하고 이를 기억 장치에 저장하며 나중에 방출하는 역량이 필요할 것입니다. 이는 양자 광학을 통해 가능하며, 현실적인 조건하에 컴퓨터 설계 및 운영과 통합해 견고하고 완전 고체 상태의 솔루션을 제공하는 것이 이번 개발의 목표입니다. 고체 상태의 광학 양자 기억 저장 장치의 효율성을 높이고 저장 시간을 늘리는 연구는 앞으로 새로운 연구 기술을 위한 기반을 닦아 줄 것입니다.
간질과 뇌졸중과 같은 신경장애의 치료 및 연구를 위해 뇌 조직의 광복굴적 변화를 영상화해 뇌의 신경 자극 전파를 추적하는 기술 개발. 빛의 전달 및 역반사를 이용해 편광 상태의 변화를 영상화함으로써, 그의 팀은 뉴런의 활성 패턴을 동적인 사진으로 만드는 기술을 기대하고 있습니다. 최소 침습, 고해상도의 광학 이미징 기술을 개발해 뉴런의 활성 패턴을 영상화하는 것은 뉴런의 네트워크 맵핑 연구를 위한 전진이며 신경 과학 연구에 필요한 귀중한 발판을 제공하는 것입니다. 이러한 신진 기법은 세포에 유해안 전압 민감성 염료나 방해가 되는 indicator가 필요하지 않기 때문에, 신경 조직의 본래 상태로 뉴런 활성 패턴을 관찰할 수 있습니다. 뿐만 아니라, 단일 뉴론 수준으로 공간 분해능이 가능하며 영상 처리의 시간 분해능이 빠르므로 신경 자극 전파 추적이 가능합니다. 그의 팀은 이러한 등급의 질병을 위해 신규 치료법에 대한 해법으로 상당히 가치 있는 정보를 제공하도록 치료 시 유도 간질 발작과 뇌의 응답 작용을 영상화하는 실험을 현재 진행 중에 있습니다.
초미세입자를 (~수십 nm) 광포획하는 시스템을 구축하고 여기에 cavity cooling 방법을 적용하여 포획된 입자를 광포획 우물의 기저상태로 냉각하는 연구 개발. 이러한 시스템은 고도로 정밀한 운영을 통해 중시계 수준에서 양자 현상을 구현할 수 있으며, 포획된 입자의 비고전적인 운동 상태를 이용하여 정밀 간섭계 등에 유용한 응축광을 만들어 냅니다. 최근까지 본 연구실에서는 초미세 입자를 효율적으로 광포획하는 시스템을 구축하였으며 광포획된 입자에서 발생하는 산란광선과 검색광선과의 간섭신호로부터 광포획된 입자의 운동에 따른 산란광선의 위상변화를 간섭신호의 세기변화로 읽어내는 새로운 방법을 최초로 구현하였습니다(2014 Korean Physical Society Spring Meeting, 논문 준비 중). 이러한 검출방법은 기존의 quadrant photodiode를 이용하여 광포획 입자의 운동을 검출하는 back focal plane interferometry 방법보다 광축방향으로 더 좋은 위치 분해능을 제공하며 또한 avalanche photodiode를 광검출기로 사용하여 보다 넓은 대역폭(bandwidth)을 확보할 수 있습니다.
수십억 마리의 곤충류를 현장 조사하는 특정 관심과 함께 대기 중에 있는 동물군을 모니터링하는 레이저 레이더를 개발. 이러한 연구는 인간과 가축에 기생충을 전달하는 삼림 해충 및 질병에 관한 유동 측정과 꽃가루 매개체의 다양성 조사를 포함합니다. 연구팀은 현재 최대 10km 거리에서 1시간 당, 1평방 미터 당 10,000 개체수를 집계하는 프로젝트를 진행하고 있습니다. 수집된 정보는 빈도, 몸통 및 날개 사이즈를 포함하며 이러한 정보로 종별, 성별 및 나이별 그룹을 결정짓습니다. 게다가 연구팀은 나노미터의 정밀 단위로 날개의 세포막 두께를 검사하는 광학 기기를 (remote microscopy라 불림) 개발하고 있습니다. 이러한 측정과 자료, 특히 세부 정보는 여러 종에 있는 오염의 영향과 특수 비료를 밝혀내고, 곤충에 의해 전염되는 잠재 질병을 확인하는 데 이용됩니다. 이들의 장기적 목표는 휴대용 기기를 개발하여 필요 시 이러한 자료를 어디서든 사용할 수 있도록 하는 것입니다.
공동 광자 감쇠 분광법(cavity ring-down spectroscopy)을 이용하여 메탄의 농축 정도를 추적 및 측정하는 경량의 mid-infrared sensor를 개발. 이러한 센서는 flow cell이 없어도 운영이 가능하며, 메탄의 유출을 보다 능숙하게 감지하고 완화하도록 좀 더 효과적이면서 경제적인 무인 정찰기(UVAs)에 장착할 수 있게 되었습니다. 최근 몇 년간 탄산가스 절감, 외국산 석유에 대한 의존도 감소 및 국내산 에너지 비용의 감축을 위하여 천연가스 사용량이 눈에 띄게 증가하였습니다. 다만, 유출된 하나의 메탄 분자는 하나의 탄산가스 분자보다 20배 이상의 복사 에너지를 생산하기 때문에, 추출 및 유통 구조에서 있어서 메탄 유출에 관한 걱정이 늘어나고 있습니다. Yalin과 그의 연구팀은 센서 운영과 분광법을 보정하여 정확도 혹은 정밀도를 잃지 않고 flow cell과 진공 시스템을 사용하지 않으면서 대기 중의 air-path를 측정하는 연구를 진행하고 있습니다. UAVs를 활용하는 이러한 센서는 경제 및 환경적인 측면에서 중요한 역할을 하는 유전과 파이프라인에서 실시간으로 효율성 있게 메탄의 유출 위치를 찾아내고 유출량을 측정할 수 있을 것입니다.
약물 전달 메커니즘 시연을 위해 다기능 나노입자와 상호작용을 하면서 암세포의 진보적인 변화를 관찰하는 데 사용되는 고해상도 형광 이미징 시스템을 개발. 나노입자를 사용해 영상과 암치료를 동시에 처리하는 기법은 기존의 화학 치료법을 뛰어넘는 이점을 증명해 줍니다. 다만, 나노입자의 단위 체적당 표면적 비율이 높기 때문에 표면 결함과 유기 배위자로 유도된 quenching effect(담금질 효과)는 현저하게 광학 출력 효율성을 감소시켰습니다. 기능적 표면을 갖춘 나노입자로 인해 선택적 이미징과 목표로 삼은 치료의 개발이 가능하며 이는 다양한 세포의 식별을 위한 나노입자의 발광 스펙트럼을 보정하기 위하여 높은 수요로 이어질 것입니다. 암 치료를 위한 더 나은 타깃의 약물 전달 시스템을 추구하는 것은 암 연구 분야의 중요한 핵심으로 자리 잡아 왔습니다. 이번 프로젝트로 개발된 나노입자는 회전 가능한 발광 스펙트럼으로 향상된 발광 강도를 보유하고 있으며, 암치료 약물 내부로 캡슐처리가 가능해 치료 용도를 위한 원하는 약물 전달물질로 제공되거나 동시에 암세포를 식별할 수 있게 해줍니다. 이러한 발견은 약물 전달 연구 분야에 상당한 영향력을 제공하고 의료계에 다양한 응용들을 가져다줄 것으로 예상됩니다.
아프리카에서 체체파리를 유인하는 풍경과 물체의 편광 패턴을 분석하고 곤충에 의해 전염되는 질병의 확산을 통제하는 데 매우 중요한 감시 장치를 개발. 현재 진행되고 있는 연구는 유인신호로 polarization vision을 사용해 아프리카에서 체체파리에 의해 전염되는 수면병을 통제하는 데 초점을 두고 있습니다. 체체파리가 풍경과 다른 물체를 감지하고 결국 그 위에 앉음으로써, 이러한 연구는 체체파리의 물체의 편광 상태에 따라서 유인물(예: 초식동물)과 풍경을 분석하고 이러한 정보를 활용해 체체파리의 편광 시각과 빛의 dimension을 이용하는 새로운 덫과 목표물을 개발하는 데 중점을 두고 있습니다. 이렇듯 새로운 연구 기법은 포획률을 향상시킬 뿐만 아니라, 전염병의 확산을 제어하는 데 상당히 기여할 것으로 내다보고 있습니다.
미주 — $10,000 상당의 제품
미주 — $7,500 상당의 제품
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