AI 만난 분광기, 스스로 최적 실험법 터득했다

덴마크 오르후스대학교 연구팀이 인공지능(AI)을 활용해 분광기가 스스로 최적의 실험 방법을 학습하는 기술을 개발했다.

28일(현지시간) 오르후스대학교 연구팀은 기계학습 알고리즘을 핵자기공명(NMR) 분광기에 연결해 이 같은 성과를 얻었다고 밝혔다. 이번 연구 결과는 국제학술지 '사이언스 어드밴시스'에 게재됐다.

NMR 분광기는 원자 수준까지 분자 구조를 파악할 수 있지만, 핵 스핀에서 발생하는 신호가 약해 분석 감도가 낮다는 한계가 있다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 '동적 핵 편광(DNP)' 기술을 이용했다. 양성자보다 자기 모멘트가 약 660배 큰 전자의 스핀 배열을 마이크로파 펄스로 원자핵에 전달해 신호를 증폭시키는 원리다.

하지만 수많은 스핀이 상호작용하는 복잡한 시스템에서 최적의 마이크로파 펄스 순서를 미리 계산하는 것은 컴퓨터로도 어렵다. 연구팀은 AI가 시료에 직접 펄스 순서를 시험하고 결과를 학습해 다음 실험을 제안하는 방식으로 이 문제를 해결했다.

논문 제1 저자인 필립 V. 옌센 박사과정생은 "분광기가 스스로 최상의 실험을 수행하는 방법을 배우도록 한 것이 이번 연구의 핵심"이라고 설명했다.

실험 결과, AI가 찾아낸 펄스 순서는 복잡한 시스템에서 기존 참조 방식보다 약 70% 더 큰 신호 증강 효과를 보였다. 최적화에는 2일에서 5일가량 걸렸지만, 한번 찾은 순서는 재사용이 가능하다.

연구팀은 이번 연구가 향후 더 나은 자기공명 기반 양자 센서 개발에 기여할 것으로 기대했다. 또한 산업 공정 모니터링, 환경 측정, 식품 분석 등에도 적용될 수 있을 것으로 내다봤다.