변환 에이전트와 원격 감지: 저비용 혁신의 가능성

특허의 원문 번역

원격 감지를 위한 변환 에이전트 및 장치 특허 내용, Satellogic

 

 특허는 발명자가 자신의 아이디어를 세상에 공개하면서도 그에 대한 보상을 받을 수 있도록 보호해주는 제도이다. 특허 문서에는 발명자가 미래에 나타내고자 하는 기술을 개념적으로 설명한 내용이 포함될 수 있다. 이는 특허가 단순히 현재의 완성된 기술뿐만 아니라 앞으로 발전시킬 수 있는 가능성까지 포괄할 수 있음을 의미한다. 반대로, 특허 신청은 발명이 어느 정도 실현 가능한 단계에 도달했음을 전제로 한다. 왜냐하면 (미국)특허법에서는 발명이 "실용성"을 갖추어야 한다는 요건을 요구하기 때문이다. 여기서 실용성이란, 발명이 실제로 작동 가능하고 구체적이며 실질적인 유용성을 가져야 함을 뜻한다. 즉, 특허를 신청한다는 것은 발명자가 단순한 아이디어나 추상적인 개념이 아니라, 구체화되고 실현 가능한 기술을 가지고 있다고 판단하고 이를 보호받으려는 의지를 나타낸다고 볼 수 있다. 

 

* 본 출원은 2019년 9월 23일 출원된 국제 특허 출원 번호 PCT/US2019/052480의 미국 국내 단계 진입이며, 이는 2018년 9월 25일 출원된 "원격 감지를 위한 변환제 및 장치"라는 명칭의 미국 가출원 번호 62/736,347의 우선권을 주장하며, 각 출원의 전체 내용은 본 명세서에 참조로 포함됨.

 

 1. 특허의 내용 및 신청자

• 원격 위치에서 관심 변수(예: 습도, 가스 농도, 온도, 병원체 등)를 정확하고 선택적으로 감지하기 위한 시스템 및 방법 제공.
• 특허 신청인 : Gerardo Gabriel Richarte, David Vilaseca

 

2. 특허의 핵심 구성 요소 

• 관심 변수(Variable of Interest): 감지하고자 하는 물리적/화학적 특성(예: 습도, 가스 농도, 온도, 병원체 존재 등).
• 변환 에이전트(Transducing Agent): 관심 변수의 변화를 광학적 특성으로 변환하는 매개체.
• 스펙트럼 신호(Spectral Signature): 특정 파장에서 물질이 반사하거나 방출하는 전자기 방사선 패턴.
• 이미징 시스템(Imaging System): 위성, 드론 등에 탑재된 장치로, 픽셀 센서와 필터를 통해 데이터를 수집.
• 제어 모듈(Control Module): 데이터를 분석하고 관심 변수 정보를 생성하는 소프트웨어/하드웨어 모듈.

 

3. 기술적 특징 

• 변환 에이전트는 관심 변수의 변화를 가시광선(VIS-NIR) 또는 적외선(IR) 범위에서 감지 가능한 광학적 특성으로 변환.
• 이미징 시스템은 다중스펙트럼/하이퍼스펙트럼 필터를 사용하여 데이터를 캡처하고 처리.
• 데이터는 참조 신호와 측정 신호를 비교하여 관심 변수 값을 추론.

 

4. 기술적 장점 

• 원격 위치에서 접근이 어려운 지역의 데이터를 정확하게 수집 가능.
• 비용 효율적이며, 기존 CMOS 기술로도 구현 가능.
• 다양한 산업(농업, 환경, 건강 등)에 적용 가능.

 

5. 도면 요약 

FIG. 1: 위성 탐지 시스템(100) - 위성(102), 탐지 장치(106), 변환 에이전트(104), 관심 변수(108).

FIG. 2: 습도 감지를 위한 유전자 변형 씨앗(204)과 위성(202).

FIG. 3: 가스 농도 감지를 위한 지붕 타일(304)과 위성(302).

FIG. 4: CO₂ 배출 감지를 위한 차량(412)과 변환 에이전트(404).

FIG. 5: 병원체 감지를 위한 레몬 나무(518)와 변환 에이전트(504).

FIG. 6: 이미징 시스템(600)의 블록 다이어그램 - 이미징 장치(624), 메모리(626), 제어 모듈(628), 프로세서(630).

 

 

6. 변환 에이전트를 이용한 작동 방식

 

 변환 에이전트의 핵심은 관심 변수(예: 습도, 가스 농도, 병원체 등)를 광학적 특성(예: 색상, 반사율, 스펙트럼 신호)으로 변환하는 것이다. 변환 에이전트는 다음과 같은 방식으로 작동함. 

 

 광학적 특성 변화 : 변환 에이전트는 관심 변수의 변화에 반응하여 광학적 특성을 변화시킨다. 예를 들어, 유전자 변형 씨앗(FIG. 2)은 습도 변화에 따라 색상이 변하고, 차량 페인트(FIG. 4)는 CO₂ 농도에 따라 반사율이 변한다. 이러한 변화는 주로 가시광선(VIS-NIR, 400~1000nm) 범위에서 감지 가능하도록 설계되어 있음. 

 

*습도 변화 → 씨앗 색상 변화 (FIG. 2).  
*CO₂ 농도 → 차량 페인트 반사율 변화 (FIG. 4).

 

 

7. 변환 에이전트를 통한 특허의 핵심 

 

7.1 저렴한 감지 장비 사용 가능

 특허는 변환 에이전트의 광학적 변화를 감지하기 위해 고가의 하이퍼스펙트럴 장비가 아닌, 상대적으로 저렴한 장비(예: 파노크로매틱 카메라, 멀티스펙트럴 카메라, 또는 기존 CMOS 기반 카메라)를 사용할 수 있다고 명시하고 있다. 예를 들어, 가시광선 범위에서 작동하는 카메라는 하이퍼스펙트럴 장비보다 훨씬 저렴하며, 이미 많은 위성(예: Landsat, Sentinel-2)과 드론에 탑재되어 있음. (CMOS 방식의 대표적인 장비로는 일반 디지털 카메라가 모두 포함된다.) 

7.2 간접적 신호 포착

 변환 에이전트는 관심 변수를 직접 측정하지 않고, 관심 변수의 변화를 광학적 신호로 변환하여 간접적으로 감지한다. 예를 들어, CO₂ 농도를 직접 측정하는 대신, 변환 에이전트가 CO₂와 반응하여 색상을 변화시키면 이를 카메라로 감지하는 방식. 이 간접적 방식은 하이퍼스펙트럴 장비가 필요로 하는 복잡한 스펙트럼 분석(예: CO₂의 4.3μm 흡수 피크 분석)을 생략할 수 있어 데이터 처리 부담을 줄일 수 있다.

 

 

8. 하이퍼스펙트럴 장비와의 비교 

특성	하이퍼스펙트럴 방식	변환 에이전트 방식
측정 원리	넓은 파장 범위에서 전자기 스펙트럼을 세밀하게 분해하여 가스의 스펙트럼 시그니처 직접 감지	특정 가스와 접촉 시 광학적 특성이 변하는 변환 에이전트를 통해 간접적으로 감지
장비 비용	매우 높음 (수백만 달러)	상대적으로 저렴 (일반 CMOS 카메라 활용 가능)
정확도	매우 높음	상대적으로 낮음
데이터 처리	복잡하고 전문 인력 필요	상대적으로 간단함
다중 가스 감지	다양한 가스 동시 분석 가능	특정 가스에 제한적
환경 영향	구름, 안개 등 대기 조건에 민감	대기 조건에 상대적으로 덜 민감
내구성	장비 자체는 안정적	변환 에이전트의 환경적 손상 가능성
적용 방식	위성/드론에 장비 탑재	차량 표면에 변환 에이전트 적용
구현 복잡성	매우 복잡함	상대적으로 간단함

 

 

9. 변환 에이전트 방식을 이용한 방식에서 AI의 역할

• 비선형 관계 모델링: AI(특히 딥러닝 모델)는 변환 에이전트의 광학적 특성과 관심 변수(CO₂ 농도 등) 간의 복잡한 비선형 관계를 학습하여 정확도를 높일 수 있음. 각 변환 에이전트에 특화된 개인화된 모델을 구축할 수 있다.
• 노이즈 제거 및 데이터 보정: AI는 조명 조건, 구름 등 환경적 요인으로 인한 신호 왜곡을 학습하고 보정하여 신호-잡음 비율을 개선함.
• 대량 데이터 학습을 통한 패턴 인식: AI는 인간이 감지하기 어려운 미세한 광학적 변화를 포착하고, 변환 에이전트의 반응 패턴을 학습하여 관심 변수를 더 정확하게 예측함.
• 모델의 지속적 개선: 온라인 학습을 통해 변환 에이전트의 노화나 환경 변화에 따른 반응 특성 변화에 적응하여 장기적 안정성을 확보함.
• 다중 변환 에이전트 통합: 여러 변환 에이전트의 신호를 융합하고 교차 검증하여 단일 에이전트의 한계를 보완하고 결과의 신뢰도를 높임. 

 

10. 변환 에이전트의 한계성

• 변환 에이전트의 특이성 부족: 변환 에이전트는 특정 관심 변수에만 반응하도록 설계되어야 하지만, 실제로는 다른 변수에도 반응할 수 있다. 예를 들어, 차량 페인트(FIG. 4)가 CO₂에 반응하도록 설계되었더라도, 다른 가스(예: NO₂)나 온도 변화에 의해 반응이 교란될 수 있음. 이로 인해 변환 에이전트의 신호가 관심 변수와의 특이적 상관관계를 가지지 못할 수 있음.
• 변환 에이전트의 내구성과 안정성: 변환 에이전트는 시간이 지나면서 마모, 퇴색, 화학적 분해 등으로 인해 반응 특성이 변할 수 있음. 예를 들어, 차량 페인트가 햇빛에 의해 퇴색되거나, 지붕 타일이 비에 의해 손상되면, 광학적 신호의 신뢰도가 떨어질 수 있음.
• 데이터 보정 및 모델링의 어려움: 변환 에이전트의 광학적 신호를 관심 변수로 변환하려면 정확한 보정 모델이 필요함. 그러나 변환 에이전트의 반응은 종종 비선형적이고, 환경적 요인에 따라 달라지므로 보정 모델을 설계하는 것이 어려움. 예를 들어, 레몬 나무(FIG. 5)에서 병원체에 의한 스펙트럼 신호 변화는 병원체의 종류, 감염 정도, 환경 조건에 따라 달라질 수 있어, 단순한 선형 모델로는 정확한 추론이 어려움.

 

11. 정확도를 높이기 위한 주요 도전 과제 

• 변환 에이전트의 설계 개선: 변환 에이전트가 특정 관심 변수에만 반응하도록 설계해야 한다. 예를 들어, CO₂에만 반응하는 화학 물질을 개발하거나, 병원체 감지용 변환 에이전트가 특정 병원체에만 반응하도록 조정해야 함.
• 내구성 강화: 변환 에이전트의 내구성을 높여 환경적 요인(비, 햇빛, 온도 변화)에 대한 저항성을 강화해야 함. 예를 들어, UV 저항 코팅을 추가하거나, 화학적 안정성을 높이는 재료를 사용할 수 있음.
• 환경적 요인 보정: 환경적 요인(조명, 대기 조건, 온도 등)을 실시간으로 보정할 수 있는 알고리즘이 필요함. 특허는 제어 모듈이 보정 기능을 수행한다고 언급하지만(15페이지), 이를 더 정교하게 구현해야 함.예를 들어, 태양광 세기와 구름의 영향을 보정하기 위해 추가적인 센서(예: 광도 센서)를 통합하거나, AI를 활용해 환경적 요인을 학습하고 보정할 수 있음.
• 정확한 보정 모델 개발: 변환 에이전트의 광학적 신호와 관심 변수 간의 관계를 정확히 모델링해야 함. 이는 비선형 관계와 환경적 요인을 고려한 복잡한 모델이 필요함. AI를 활용한 모델링이 유용할 수 있지만, 이를 위해 고품질의 훈련 데이터가 필수적임. 

 

12. 이러한 방식이 사용될 수 있는 분야 

 

12.1  개발도상국에서의 활용 가능성

 개발도상국에서는 자원과 기술 인프라가 제한적인 경우가 많아, 이 기술의 저비용 및 접근성이 큰 장점으로 작용할 수 있음.

• 비용 효율성: 이 기술은 고가의 하이퍼스펙트럴 장비 대신 저렴한 장치나 기존 위성(예: Sentinel-2), 드론을 활용해 초기 데이터를 수집할 수 있음. 예를 들어, 인도나 아프리카 농촌 지역에서 농업 모니터링을 저렴하게 수행할 수 있어 예산이 부족한 국가에 적합함.
• 환경 및 농업 문제 해결:기후 변화로 인한 가뭄, 홍수, 병충해 등이 개발도상국에서 빈번함. 이 기술은 방글라데시의 홍수 모니터링이나 케냐의 가뭄 감지, 병원체 탐지(특허 FIG. 5 참조)를 통해 농업 생산성과 식량 안보를 강화할 수 있음.
• 기술적 접근성: 고급 인프라가 부족한 환경에서도 간단한 데이터 처리와 저렴한 장비로 운영 가능하므로, 기술적 장벽이 낮아 도입이 용이함.

 결론: 개발도상국에서는 비용과 접근성 측면에서 이 기술이 매우 유용하며, 농업과 환경 문제 해결에 큰 기여를 할 수 있음.

12.2  미국 외 선진국에서의 활용 가능성

유럽 연합, 일본, 한국과 같은 선진국에서도 이 기술은 환경, 농업, 기술적 효율성 측면에서 필요성이 있음.

• 환경 규제와 지속 가능성: 유럽 연합은 엄격한 환경 규제를 통해 온실가스 감축을 추구하며, 이 기술은 지붕 타일(FIG. 3)이나 차량 페인트(FIG. 4)를 활용해 대기 오염을 모니터링할 수 있음. 일본과 한국의 고밀도 도시에서는 교통 배출 관리에 유용할 수 있음.
• 농업과 식량 안보: 프랑스나 독일과 같은 농업 강국은 기후 변화로 인한 생산성 저하를 우려함. 이 기술은 저렴한 초기 모니터링을 제공하며, 기존 하이퍼스펙트럴 장비를 보완해 효율성을 높일 수 있음.
• 기술적 보완: 선진국은 이미 고급 원격 감지 기술을 보유하고 있지만, 이 기술은 비용 절감과 시스템 보완 역할을 할 수 있음. 예를 들어, 유럽 우주국(ESA)의 Sentinel 위성과 결합해 더 효율적인 모니터링이 가능함.

결론: 미국 외 선진국에서는 환경 규제 준수, 농업 모니터링, 기술적 효율성 향상을 위해 이 기술이 유용하게 활용될 수 있음.

 

12.3  특정 산업이 발달한 국가에서의 활용 가능성

특정 산업이 강세인 국가에서는 그 특성에 맞춘 응용이 가능함.

• 석유 및 가스 산업: 사우디아라비아, 러시아, 캐나다와 같은 국가에서는 메탄 누출 감지가 중요함. 이 기술은 저렴한 장치로 초기 스크리닝을 수행하고, 정밀 분석을 보완하는 데 활용될 수 있음.
• 농업 중심 국가: 브라질, 인도, 중국과 같은 대규모 농업국에서는 광대한 농지를 모니터링하는 데 이 기술이 적합함. 예를 들어, 브라질 아마존 지역에서 유전자 변형 씨앗(FIG. 2)을 활용한 습도 변화 감지가 가능함.
• 도시화가 진행된 국가: 싱가포르, 홍콩, 두바이와 같은 고밀도 도시 국가에서는 대기 오염과 교통 배출 모니터링에 이 기술을 적용할 수 있음.

결론: 산업 특성에 따라 석유, 농업, 도시 관리 등 다양한 분야에서 이 기술의 필요성이 두드러질 수 있음.

 

12.4  기술적, 경제적 제약이 있는 국가에서의 한계

일부 국가에서는 제약 요인으로 인해 도입이 어려울 수 있음.

• 기술 인프라 부족: 일부 아프리카 국가나 동남아시아 저개발국에서는 위성 데이터 수신, 데이터 처리, AI 분석 인프라가 부족해 기술 활용이 제한적일 수 있음.
• 경제적 부담: 이 기술은 상대적으로 저렴하지만, 초기 투자(변환 에이전트 설치, 시스템 구축 등)가 필요해 극빈국에는 여전히 부담일 수 있음.
• 정책적 지원 부족:환경 및 농업 정책이 미비하거나 정부 지원이 부족한 국가에서는 활용도가 낮을 가능성이 있음.

결론: 제약이 심한 국가에서는 외부 지원(예: 국제 기구나 선진국 협력)이 없으면 이 기술의 도입과 활용이 어려울 수 있음.

 

 

 

13. 변환 에이전트 기술의 필요성과 결론

 

 기후 변화, 자원 고갈, 환경 오염 등 글로벌 과제가 심화되는 가운데, 고비용의 하이퍼스펙트럴 기술에만 의존하기에는 경제적, 기술적 접근성이 떨어진다. 변환 에이전트 기술은 저렴한 장비로도 원격 감지를 가능하게 하여, 개발도상국부터 선진국까지 다양한 지역과 산업에서 실질적인 솔루션을 제공할 잠재력을 지닌다. 물론 특이성 부족, 내구성 문제 등의 한계가 존재하지만, AI와의 결합 및 지속적인 설계 개선을 통해 이러한 단점을 극복할 수 있다.  

 결론적으로, 이 기술은 비용 효율성과 접근성을 바탕으로 전 세계적으로 환경 모니터링, 농업 생산성 증대, 공중 보건 향상에 기여할 수 있는 혁신적인 접근법이다. Satellogic의 변환 에이전트 기술은 단순한 아이디어를 넘어, 실현 가능성을 입증하며 미래의 지속 가능한 기술 생태계에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.