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by 손동하 Aug 23. 2019

IT 공룡들이 그리는 새로운 미래

IBT의 시대를 열다

실리콘밸리(Silicon Valley)는 미국을 넘어 전 세계적으로 혁신을 이끄는 지역으로 인정받고 있다. Facebook, Google, Twitter, Apple 등 IT 공룡들은 실리콘밸리에서 기술 혁신을 선도하고 있으며 다양한 스타트업들이 꾸준히 생겨나고 다양한 유니콘 기업들 또한 도전하는 곳으로 성장하고 있다. 이러한 실리콘밸리가 있는 팔로알토 위쪽 지역에 또 하나의 새로운 산업단지가 조성되고 있다.

사우스 샌프란시스코(SSF)에는 현재 세계적인 바이오 클러스터가 자리 잡고 있다. 바이오 클러스터를 형성하는 데에 있어서 거대한 바이오 기업들이 상주해 있다.

연매출 20조 원을 기록하며 바이오 시장의 선두주자로 여겨지는 제넨텍(Genentech)은 세계 최초로 체내 인슐린과 같은 '휴물린'과 연매출 10조 원을 기록하고 있는 다양한 항암제등을 개발하여 이곳의 성장에 크게 기여하고 있다.

Listerine (리스테린), Acuvue Lens (아큐브 렌즈), 존슨즈 베이비 로션으로 소비자들에게 알려진 존슨 앤 존슨은 생활용품을 넘어서 제약, 의료기기를 포함한 다양한 산업에 진출하여 바이오 시장의 큰 기여를 하고 있으며 현재 120 여개의 바이오 스타트업이 입주한 'JLABS'를 운영하고 있다.

다국적 글로벌 제약회사인 노바티스는 디지털 혁신센터인 바이오미(Novartis Biome)를 설립하여 실리콘밸리의 바이오산업과 노바티스를 연결하고자 노력하고 있다.

이러한 전통이 있는 Bio 공룡들은 물론, 이제는 IT 공룡들이 바이오 및 헬스케어 산업에 적극적인 투자 및 연구를 진행해나가고 있다.

IBT ( IT & BT) 시대의 도래

2017년 미국 기준 반도체 시장의 규모가 528조 원으로 평가되었던 반면, 바이오 시장은 그의 7배인 3961조 원으로 평가되고 있다. 이미 규모로도 거대한 시장을 형성하고 있지만, IT(Information Technology)와 BT(Bio-Technology)가 융합된 IBT 시장은 더욱더 활성화될 것이라는 전망이 뚜렷하다. 그렇기에 더더욱 IT 공룡들은 바이오산업에 적극적인 투자 및 연구를 진행해 나가고 있다. 그들은 "100세 시대"를 의미하는 호모 헌드레즈(Homohundreds)를 꿈꾸며 미래를 향한 길을 가고 있다.

Google

구글(Google)의 모회사 알파벳(Alphabet)

글로벌 포털사이트 구글을 자회사로 두고 있는 기업 복합체 알파벳(Alphabet)은 그 어떤 기업보다도 공격적인 투자를 진행하고 있다.

2014년 기준 구글의 투자액 20억 달러 중에 36%를 바이오 시장에 투자하고 있으며 이는 27%에 해당하는 모바일 시장의 비율을 압도한다.

다양한 질병을 예방 및 치료하며 인간의 편의를 고려한 다양한 연구를 진행해나가는 베릴리(Verily)와, 인간 수명을 500살까지 연장하겠다는 목표를 세워 연구를 진행해나가는 칼리코(Calico)에 대해 살펴보자

베릴리 (Veriliy)

https://verily.com/

Verily Life Sciences

Verily is focused on using technology to better understand health, as well as prevent, detect, and manage disease. Our mission is to bring together technology and life sciences to uncover new truths about health and disease.

verily.com

그들의 미션은 다음과 같다

Make the world's health data useful so that people enjoy healthier lives

"건강한 삶을 살 수 있도록 전 세계 헬스 데이터를 유용하게 하자"를 외치는 그들은 다음과 같은 프로젝트를 진행 중이다.

센서(Sensors)

그들의 대표적인 프로젝트로 센서를 이용한 3가지 하드웨어를 개발 중에 있다.

연속혈당측정기 (CGM: Continuous Glucose Monitoring)

getty image 출처

당뇨병 관리 혈당 측정기를 개발하고 있는 Dexcom과 함께 당뇨병 환자들의 혈당 측정을 돕고 장비의 소형화 및 가격 절감을 위해 노력하고 있다.

현재 3억 8천만 명 이상이 당뇨병을 앓고 있으며 하루에 4번 주기적으로 혈당 측정을 필요로 한다.

당뇨병은 대게 5종류로 분류하지만 그중 '1형 당뇨'와 '2형 당뇨'가 주를 이룬다.

1형 당뇨는 유전적, 환경적, 면역적 원인으로 발생하며 췌장 베타세포의 파괴로 인한 인슐린 결핍이 주원인으로 형성된다.

2형 당뇨 또한 다양한 원인들에 의해 복합적으로 발생하며 인슐린 저항성 증가 및 분비의 감소가 주원인으로 발생한다.

대게 2형 당뇨병을 치료하기 위한 목적으로 다양한 기기들이 발명되고 있다.

혈당을 측정하는 다양한 방법들이 존재하나 현재 제일 많이 사용되는 방법은 다음과 같은 '침습형 혈당 측정기'이다.

침습형 혈당 측정기

침습형 혈당 측정기는 매우 큰 단점을 지니고 있다. 건강한 성인의 경우 조그마한 상처가 아무는데 얼마 걸리지 않는 반면 노인의 경우 1일 4회와 같은 빈도의 상처는 쉽게 아물지 않고 감염의 위험 또한 존재한다. 어린아이들의 경우 바늘에 대한 두려움에서 벗어나기 쉽지 않다. 이러한 문제를 벗어나기 위해 다양한 방법들이 고안되고 있으며 최근 주 연구방향은 '패치'를 활용하려 한다. 미세바늘로 이루어진 마이크로 패치(Micro Patch)는 '통증'을 느끼는 세포층을 건드리지 않기에 바늘과 같이 통증을 일으키지 않는다. 이를 활용하여 혈당을 측정하거나 인슐린과 같은 약물을 전달하는 방법으로 많은 연구가 진행되고 있다.

https://www.karplab.net/news/the-scientist-sticking-power.html

최근 인슐린 패치와 관련하여 국내 연구진들이 획기적인 성과를 제시한 기사가 여러 소개된 적이 있다.

마이크로 패치에 대한 연구는 기존부터 활발하게 진행되어 왔으나 '액상 형태'의 약물이 아닌 '하이드로젤'의 형태로 약물을 전달하는 데에 그쳤던 연구가 국내 연구진에 의해 '액상' 형태의 약물을 전달할 수 있게 되었다.

이에 활용된 마이크로 패치는 '독사의 어금니'를 본떠 미세 바늘 구조를 만들었다. 독을 주입하기 위한 특별한 구조 없이 먹이에 침투시키는 독사의 원리를 파악하고자 하였고 이는 어금니 속 작은 구멍에 의한 '모세관 현상'으로 자연스레 독이 스며들게 되는 것을 밝혀내었다.

스마트 렌즈 (Smart Lense)

출처: https://verily.com/

글로벌 의료기기 회사 Alcon과 함께 진행 중에 있으며 노안을 대비한 컨택트 렌즈와 시력 증진을 위한 수술용 삽입형 렌즈를 개발한다.

구글의 스마트 렌즈는 이미 다양한 매체에서 소식을 종종 접해봤을 것이다. 구글은 2014년 글 초반에 언급했던 노바티스(Novatis)와 함께 스마트 렌즈를 개발해왔다.

혈당 측정을 가능하게 하는 스마트 렌즈는 이미 오래전부터 구글에서 주력하여 개발해 왔으며 다양한 한계를 극복하고자 하였다.

이는 눈물 속 글루코오스 성분을 측정하는 것을 이용한다. 해당 당분이 센서의 분해효소와 결합 시 과산화수소가 발생하고 이는 이후 수소와 산소로 나뉘어 전자를 내놓는데 이때 발생하는 전류를 측정하여 혈당을 측정하고자 한다.

하지만 안타깝게도 2018년 11월 16일, 구글은 이 제품의 개발을 중단하기로 결정하였다. 안정적인 혈당 측정이 어려워 중단한 것을 밝혀졌다. 그럼에도 한국을 포함한 다른 나라 연구소들에서는 활발히 연구를 진행해 나가고 있다. (해당 기사 참고)

그들은 렌즈 속 소형화된 칩을 렌즈의 가시성을 위하여 더욱더 소형화시키는 목표가 있는 반면, 동시에 이러한 측정 장치가 무선으로 데이터를 주고받을 수 있도록 칩을 형성하기 위하여 조금 더 큰 장벽들을 넘어가기 위한 노력이 진행 중에 있다.

스터디 손목시계 (Study Watch)

출처: https://verily.com/

다양한 IT회사들이 스마트 워치를 출시하며 전통적인 시계를 대항하는 새로운 시장을 개척하고 있다. 이는 센서를 통한 다양한 헬스데이터를 수집하는 역할 또한 하고 있으며 이는 방대한 양의 데이터를 수집할 수 있는 방법으로 여겨진다. Verily 또한 스마트 워치를 통한 헬스 데이터 수집을 목표로 하고 있으며 시계의 외형 디자인에도 많은 신경을 쓰고 있다.

그 외 (Interventions)

Verily는 위와 같은 큰 프로젝트 외에도 다양한 연구들을 다양한 회사들과 함께 진행해 나가고 있다. 해당 연구들을 간단히 살펴보고 넘어가도록 하자.

Debug

질병을 일으키는 모기들을 없애는 연구

말라리아와 같은 질병을 일으키는 모기를 없애는 방법으로 제일 잘 활용되는 연구는 불임 모기를 활용한 것이다. 보다 자세한 원리를 알고 싶다면 불임 모기를 활용할 수 있게 하는 모기의 특성을 적은 이전 글을 참고하길 바란다.

Galvani Bioelectronics

생체전기(Bioelectronics)를 활용한 기기 개발 및 연구

Liftware

수전증 및 의수와 같은 손의 장애를 보조하는 장비 개발

Retinal Imaging

Nikon과 함께 당뇨성 시력저하 질병을 치료하기 위한 이미징 소프트웨어 개발

Verb Surgical

로봇의 정교한 움직임을 비롯하여 수술에 이용할 수 있는 다양한 중요 기술 개발

Verily는 이 외에도 '수면무호흡증 치료용 SW 개발', 'Deepmind와 함께 ML으로 당뇨로 인한 실명, 유방암, 전립선암 예측 알고리즘 개발'과 같이 다양한 프로젝트 또한 진행하고 있는 것으로 알려져 있다.

칼리코 (Calico)

https://www.calicolabs.com/

Calico

Calico is a research and development company whose mission is to harness advanced technologies to increase our understanding of the biology that controls lifespan.

calicolabs.com

캘리포니아 생명 기업(California Life Company)의 약자인 칼리코(Calico)는 구글 공동 창업자인 세르게이 브린과 래리 페이지가 노화의 비밀을 알아내 인간의 수명을 연장하기 위해 2013년 설립한 회사다.

벌거숭이두더지쥐 (Naked mole-rat)

구글은 인간 수명을 500년까지 늘리는 목표를 공개하며 비밀 연구를 진행하였고 2018년 이에 대한 첫 성과가 발표되었다. 구글(정확히는 Alphabet의)의 바이오 계열사인 칼리코는"벌거숭이두더지쥐(Naked mole-rat)는 수명이 다할 때까지 노화가 거의 진행되지 않는 동물로 밝혀졌다"라고 발표했다. '늙지 않는 동물'을 토대로 인간의 수명 연장에 적용하겠다는 계획을 밝힌 것이다.

벌거숭이두더지쥐

아프리카에 서식하는 몸길이 8㎝의 땅속 동물인 벌거숭이두더지쥐는 그림에서 보다시피 몸에 털이 거의 없다. 평균 수명이 32년 되는 보통 쥐에 비해 10배나 길며 사람으로 치면 800세 이상 사는 것이다. 특이한 점은 벌거숭이두더지쥐는 암에도 걸리지 않고 통증도 느끼지 않는다. 심지어 산소가 없는 환경에서도 18분을 견딜 수 있다.

칼리코의 연구진은 지난 30년 동안 키운 벌거숭이두더지쥐 3000여 마리의 사육 기록을 조사했으며 그 결과 생후 6개월부터 평생 동안 1일 사망 위험률이 1만 마리당 1마리꼴로 거의 변화가 없다는 사실을 확인했다. 연구 결과 논문에서 "나이가 들어도 사망 위험률이 높아지지 않는 포유동물을 처음으로 확인한 것"이라고 밝혔다. 사람을 포함한 포유동물은 모두 나이가 들수록 사망 위험률이 기하급수적으로 높아지는 게 당연하다. 1825년 영국 수학자 벤저민 곰페르츠 연구에 따르면 사람은 30세 이후 8년마다 질병으로 인한 사망 위험률이 두 배씩 증가한다. 벌거숭이두더지쥐는 이 법칙에서 벗어난 첫 사례가 된 것이다.

칼리코 연구진들은 벌거숭이두더지쥐의 혈액과 분비물을 분석하며 수명과의 연관성을 찾고 있으며 유전자를 해동하는 프로젝트를 진행하고 있다. 이를 위해 구글의 인공지능 기술을 활용하여 특별한 유전자 지도 없이 유전자를 따로 분석하는 기술을 개발했다.

칼리코는 "벌거숭이두더지쥐는 DNA나 단백질 손상을 바로잡는 능력이 탁월하고, 나이가 들어도 그 능력이 계속 유지되는 것이 늙지 않는 비결"이라고 설명했다. 하지만 독일 라이프니츠 노화연구소의 마티아스 플래처 박사는 "수명이 다하는 생애 마지막에 무슨 일이 벌어지는지는 여전히 미스터리"라고 말했다.

효모 (Yeast)

칼리코는 벌거숭이두더지쥐만 바라보고 있지는 않다. 발효 세균인 효모에도 관심을 두고 있다.

출처: 위키피디아

효모는 나이 든 세포에서 새로운 세포가 돋아나 증식한다. 이를 이용하여 각 세포에서 작동하는 유전자가 어떻게 다른지를 분석하며 수명을 연장할 수 있는 단서를 찾고 있다. 실제 칼리코의 노화 연구 책임자는 과거에 선충의 DNA를 일부 바꿔 3주의 수명을 6주로 늘린 바 있다.

칼리코는 노화의 근본 원인을 찾는 연구 외에도 젊은 생쥐의 혈액이 늙은 생쥐를 회춘시킬 수 있는지 등의 연구 또한 지원하고 있다.

Facebook

페이스북 대표 마크 저커버그 부부는 6억 달러(약 6687억 원)를 투자해 '챈 저커버그 바이오 허브'를 설립했다. '챈 저커버그 바이오 허브'에서는 다양한 연구를 진행하는데 인체를 움직이는 '세포 지도'와 함께 에이즈, 지카, 에볼라, 알츠하이머 등 난치병에 대해 연구를 포함한다.

챈 저커버그 바이오 허브는 대학 연구소에도 적극적으로 투자하고 있다. 그들은 5년간 미국 버클리 캘리포니아주립대, 샌프란시스코 캘리포니아주립대, 스탠퍼드대 등에 총 5000만 달러(약 557억 2000만 원)를 투자할 계획이다.

Facebook Reality Labs

https://research.fb.com/blog/

Blog - Facebook Research

Experts in the research fields of data science, data mining, knowledge discovery, large-scale data analytics, and big data are gathering…

research.fb.com

2017년 페이스북의 마크 체빌레(Mark Chevillet)는 뇌의 신호로 1분에 100개의 단어를 읽을 수 있는 비침습형 기술을 개발하고자 2년의 시간을 투자하기로 마음먹었다.

Facebook Reality Labs의 BMI의 일종인 Brain Computer interface 총책임자로서 그는 해당 프로젝트를 진행하였고 음성이 없이도 작동 가능한 AR 안경(glass)을 만들고자 하였다. 2019년 7월 30일 Facebook Reality Labs가 투자하는 UCSF(University of California, San Francisco)의 연구진들의 발표가 이를 가능하게 하는 큰 성과를 보여주었다.

그들은 실제로 뇌의 신호를 실시간으로 파악하여 해석하는 인터페이스를 구축한 연구결과를 발표하였다. 이러한 연구 결과는 실제 뇌졸증 혹은 척추 신경 손상 등으로 인해 말을 할 수 없는 환자들에게 소통의 창구를 열어준 길이 되어주었다.

이번 실험은 3명의 뇌전증 환자들을 대상으로 진행되었다. '듣는' 신호와 '말하는' 신호를 각각 파악하여 비교하는 실험으로 영상 속 왼쪽 열은 실제 '듣는' 질문과 '말하는'대답을 나타내며 오른쪽 열은 신호를 통한 '들은' 질문과 '말한' 대답을 추측하는 결과를 의미한다.

https://www.youtube.com/watch?v=1Vwnme53_Go&feature=youtu.be

영상에서 "From 0 to 10, how comfortable are you"라는 질문이 두 번 등장하는데 첫 번째 질문에 대한 대답은 6, 다음 대답은 4인데 신호를 통한 결과는 'four'와 비슷한 발음의 'fine'으로 해석된다.

하지만 문맥을 알고리즘에 대입한 결과는 'four'로 해석하여 질문에 대한 올바른 대답을 유도하는 정확성을 높일 수 있음을 확인할 수 있다.

하지만 페이스북은 사실 AR 안경과 결합한 의료기기를 만드는 것이 목표이다. 아직까지는 연구가 말을 할 수 있는 피실험자들을 대상으로 진행이 되었기에 앞으로는 말을 할 수 없는 피실험자들을 모집하여 진행할 예정이라고 한다.

일론 머스크(Elon Musk)

전기자동차의 테슬라(Tesla)의 대표이자 민간 우주산업의 스페이스 X (Space X) 대표 일론 머스크는 다방면의 사업을 펼치는 천재 사업가로 불린다. (필자는 일론 머스크의 사업가 정신을 매우 대단하다 생각하며 이를 함께 공유하고자 별도의 글을 작성하였고 참고하길 바란다)

그는 자동차, 우주산업뿐만 아니라 AI에도 적극적인 투자 및 사업을 진행하는데 이중 의공학과 결합한 사업이 하나 있다.

뉴럴링크 (Neualink)

뉴럴링크는 "AI와 공생"을 목표로 인간에게 AI와 병합에 대한 선택권을 주는 동시에 뇌 관련 질환을 해결한 뒤 AI의 실질적 위협을 완화시킬 수 있을 것이라고 주장한다. AI와 뇌를 결합하는 시도는 여러 기업 및 연구소들의 핫한 주제이기도 하다. 수많은 연구 주제들은 의료와 오락을 위해 진행되고 있으나 뉴럴링크는 '공생'을 위해 연구를 진행 중이다.

일론 머스크는 다음과 같은 발언을 통해 뉴럴 링크의 비전을 다시 한번 강조하였다.

인류를 방해하겠다는 목표를 갖게 되면 AI는 아무런 감정 없이 인류를 파괴할 수 있다

최근 뉴럴링크는 일론 머스크의 연설과 함께 연구 결과를 발표하였고 해당 연설은 다음 비디오를 통해 확인할 수 있다.

뉴럴링크가 개발하고 있는 것은 뇌-기계 인터페이스 (BMI: Brain Machine Interface)의 일종이다.

BMI는 크게 침습형, 비침습형으로 2가지로 나뉜다.

침습형
- 신호는 정확하나 수술에 대한 부담이 존재한다. 두개골을 넘어 뇌 속까지 침습하는 기계를 이용하기에 탐지 범위 또한 한정적이다.

비침습형
- 수술이 필요 없으며 그에 맞는 영상 기술 활용한다. 뇌의 신호를 두뇌 겉에서 감지하여 해당 신호를 활용하는 방법이다. 직접적으로 신호를 받지 못하고 뇌의 신호를 외부에서 확인하는 경우 노이즈(잡음)가 많이 형성되기 때문에 신호의 정확도가 낮다.

뉴럴링크가 공개한 BMI 장치

뉴럴링크는 다음과 같은 방식으로 BMI를 작동하고 있다.

1. 먼저 쥐의 두개골에 작게 구멍 만든다

2. 가는 실 전극을 뇌에 이식한다.

3. 전극을 컴퓨터와 유선으로 연결하여 신호 감지하고 인식한다.

쥐의 두개골을 열고 '재봉틀'을 닮은 기계가 미세하고 유연한 실 같은 전극을 두뇌에 삽입한다.

이후 쥐의 뇌에 삽입된 전극이 보내는 전기값을 컴퓨터가 읽는 방식이다. 연구 결과 발표에 따르면 신호 수신율은 최고 85.5%를 달성했다.

뉴럴링크의 이와 같은 연구는 기존 연구에서 사용되는 최대 250개 전극 연결을 3000천 개까지 늘려 성공했음에도 큰 의의가 있다. 쥐를 대상으로 실험한 3000개의 전극을 실제 임상단계에서는 1만 개 예상하고 있다고 한다. 머리카락의 1/4 두께 실에는 32개의 전극이 연결되어 있다고 한다.

뉴럴 링크가 꿈꾸는 BMI는 단순한 뇌 이식 기계를 만들어 가능한 기술이 아니다. 미세 바늘의 작은 고리를 이용하여 실을 한가닥씩 잡아서 , 분당 6가닥을 뇌에 이식하는 과정을 거치며 뇌에 이식하는 과정 속에서 매우 위험한 요소들을 피해야 하기 때문에 마이크로 엔지니어링(micro-engineering)이 요구된다. 그러한 기술을 위해서 그림 속 뉴럴링크의 BMI 기계는 뇌의 핏줄은 피하며 특정 부분에 삽입하는 시각 시스템을 갖추고 있다.

뉴럴링크는 현재는 두개골 분할하여 실을 이식하는 방법을 거치고 있으나 나중에는 라식 수술처럼 간단히 삽입 가능 목표하고 있으며 이는 추후에 무선으로 대체할 것이라 밝혔다.

뉴로모픽(Neuromorphic)

출처: intel

인간의 뇌는 1제곱 밀리미터당 10억 개의 시냅스를 가지고 있다. 이러한 복잡성으로 '뇌'는 단순히 인공지능이 하지 못하는 '직관'의 능력 또한 가지고 있다. 최근 반도체 업계에서도 이러한 뇌 구조를 이용하여 하드웨어의 크기와 전력 소모를 줄이고자 노력하고 있고 이를 뉴로모픽(Neuromorphic)이라 부른다.

약 1000억 개의 뉴런이 100조 개 이상의 시냅스가 병렬구조를 형성하여 20W 수준의 저전력으로 다양한 작업을 수행할 수 있다. 이는 '알파고'를 작동시키기 위해 슈퍼컴퓨터를 몇십대 돌려야 하는 전력과 차원이 다른 숫자이다.

수십 년간 다양한 연구진들이 인간의 뇌를 모방한 컴퓨터 시스템을 개발해 왔지만 현재 기술 수준으로는 인간 두뇌의 5% 정도만 모방할 수 있다 한다.

Intel

인텔은 2017년 로이히(Loihi)라는 테스트용 뉴로모픽 칩을 공개하였는데 이는 바닷가재의 뇌보다 조금 더 복잡한 수준이라고 한다.

IBM

IBM은 2014년 트루노스(Truenorth)라는 뉴로모픽 칩을 개발했다. 이는 미국 방위고등연구계획국(DARPA)의 SyNAPSE 프로젝트의 일종이었다. 하지만 이 칩을 활용할 응용 기술이 미비하였고 확장성에 한계가 있어 중단되었다 한다.

이외에도 IT 공룡들을 다양한 모델을 통해 바이오산업에 뛰어들고 있다.

IBM

IBM은 대표적인 IT 공룡의 바이오산업 리더이다. IBM은 세계 최초 의료용 인공지능 '왓슨(Watson)'을 이용하여 암 진단을 예측하며 전 세계 대형 병원들과 협력하여 환자들의 데이터를 모아 더욱더 나은 헬스케어 서비스를 개발 중에 있다.

Amazon

아마존은 다방면으로 바이오산업에 뛰어들고 있다.

1. 온라인 제약 스타트업 PilPack 인수

미 50개 주 유통 면허 보유한 온라인 약국(Mail-Order Pharmacy)

매일 약을 복용하는 환자를 위한 처방약 가정배달

2. 노화 방지 신약 개발

아마존 CEO 제프 베조스는 유니티 테크놀로지(Unity Technology)에 거대 금액을 투자하며 노화를 방지하는 약 또한 개발에 힘 쏟고 잇다. 늙은 세포가 노화를 유발한다는 연구에 기반하여 늙은 세포의 성장을 방지하는 약을 개발하고 있으며 이를 활용하여 노년층의 관절에 임상 실험할 계획이다.