진화 프로그래밍 기반의 CLEAN 기법을 이용한 산란점 및 고유주파수 추출

최인식 포항공과대학교 대학원 2003 국내박사

과거의 레이다 시스템은 단순히 표적물을 탐지하고 표적물까지의 거리 및 속도를 측정하는 것이었습니다. 하지만, 오늘날의 레이다는 이러한 속도 및 거리 정보뿐만 아니라,표적물의 종류를 인식하여 아군과 적군을 구별하는 고도의 기술을 요구하고 있습니다.레이다 표적물을 구분하기 위해 사용되는 특성벡터로는 크게 산란점과 공진주파수가 있습니다. 산란점은 표적물에 존재하는 고 에너지 방출점이며, 공진주파수는 표적물의물리적인 크기에 의해 정해지는 고유한 값입니다. 공진주파수는 상대적으로 작은 에너지를 가지고 있으므로 잡음에 매우 민감합니다. 산란점은 상대적으로 큰 에너지를 가지고 있으므로 잡음에는 강한 반면, 각도에 따라서 그 위치와 크기가 변하므로 많은 저장공간을 필요로 합니다. 본인의 연구는 이러한 산란점과 고유주파수를 더욱 정확하게 추출할 뿐만 아니라, 잡음에도 강건한 새로운 기법을 개발하는 것입니다. 먼저, 저는 더욱 정확한 1차원 및 2차원 산란점 추출을 위해서 Evolutionary programming (EP)을 이용한 CLEAN 알고리즘 (EP-based CLEAN)을 개발하였습니다. EP-based CLEAN 기법은 원하는 개수의 산란점을 가장 큰 에너지를 가지는 것부터 차례대로 추출해 내는 방법입니다. 이러한 EP-based CLEAN 기법은 기존의 산란점 추출기법에 비해서 여러가지 장점을 가지고 있습니다. 먼저, 잡음에 강건한 성질을 가지고 있으며, 1 Fbin안에 위치한 산란점들을 구분해 낼 수 있는 해상도를 가지고 있습니다. 둘째, 추출된 파라미터값들이 기존의 CLEAN기법에 비해 매우 정확합니다. 본논문에서는 개발한 알고리즘을 이용하여 포항공대 compact range에서 측정한 데이타에 적용해 보았습니다. 또한, 개발된 새로운 알고리즘의 우수성을 검증하기 위해서 기존의 다른 방법들과 표적인식 성능을 비교해 보았습니다. Multilayer perceptron neural network을 이용한 4개의 서로 다른 표적물에 대한 구분결과로부터 본 논문에서 제안하는 알고리즘이 Prony 방법이나 FFT-based CLEAN방법보다 더 나은 성능을 보임을 알수 있었습니다. 또한 2차원 산란점 추출에 있어서 도 IFFT를 이용한 ISAR 영상, 2-D MEMP (Matrix Enhancement Matrix Pencil) 방법과 본인의 알고리즘을 비교하여 보았습니다.본인의 알고리즘은 기존의 방법과는 달리 직교좌표계가 아닌 극좌표계에서 구현되는 알고리즘입니다. 또한, 2-D MEMP방법과는 달리 산란점의 갯수를 잘못 예측하더라도 추출한 파라미터값의 정확도에는 영향을 받지 않습니다. 본 논문에서는 여러가지 실험을통하여 본인의 알고리즘이 2차원 산란점 추출에서도 뛰어난 성능을 가짐을 보여주었습니다. 고유주파수는 표적물을 구분하기 위한 또 하나의 특성벡터입니다. 일반적으로 고유주파수는 표적물이 정해지면 각도에 상관없이 그 값이 일정합니다. 따라서, 산란점을 이용한 구분방법보다 간단하며 저장공간도 감소하는 장점을 가지고 있습니다. 하지만, 레이다 신호에 있어서 후기 응답신호는 초기 응답신호보다 그 에너지가 훨씬 작으므로,잡음에 민감합니다. 따라서, 훌륭한 고유주파수 추출법은 잡음에 강건해야하며 또한 고유주파수의 갯수를 몰라도 추출이 가능해야 합니다. 왜냐하면 고유주파수의 갯수는 일반적으로 미리 알수없기 때문입니다. 후기 응답에서의 EP-based CLEAN 알고리즘은 위의 두가지 성질을 만족합니다. 우리는 이러한 특성을 보여주기 위해서 기존의 Prony 방법과 E-pulse 방법을 제안한 알고리즘과 비교해 보았습니다. 다음으로, 저는 초기 응답과 후기 응답신호를 구분하지 않고 동시에 적용할수 있는 일반화된 EP-based CLEAN 방법을 제안하였습니다. 일반화된 EP-based CLEAN 알고리즘을 이용하면 한번의 신호처리를 통하여 산란점과 고유주파수를 동시에 추출할 수 있습니다. 위에서 제안하는 방법들은 앞으로 표적인식기법의 구분성능 향상에 매우 유용하게쓰일 것이라 생각합니다. 마지막으로 본 논문에서는 시간-주파수 영역의 EP-based CLEAN 알고리즘을 이용하여 움직이는 물체에 대한 이동보상기법을 제시하였습니다. 시간-주파수 영역의 EP-based CLEAN 알고리즘을 이용한 ISAR 영상기법은 기존의 Adaptive wavelet transform (AWT)기법을 이용하는 방법보다 계산시간은 다소 많이 걸리지만, 더욱 향상된 영상을 얻을수가 있습니다. 앞으로 컴퓨터 기술이 더욱 발전하여 계산시간을 단축시킬 수만 있다면, 본인의 알고리즘은 레이다 신호처리 분야에 아주 유용하게 사용되어 질 것이라 생각됩니다. 하지만, 여전히 해결해야 할 숙제도 가지고 있습니다. 즉, 해상도가 1차원에서 0.5 Fbin으로 제안되는 문제점과 계산시간이 많이 걸리는 문제점, 본 논문에서 사용한 undapmed exponential model이나 damped exponential model보다 더욱 정확한 모델로 알려진 GTD(Geometrical Theory of Diffraction)모델을 이용한 방법의 개발등은 앞으로 계속 연구가 진행되어야 할 것입니다. When a radar target is illuminated by a short-duration electromagnetic (EM) field, the transient response has an early-time response and a late-time response. The early-time response occurs while the field passes across the target, so provides useful information for the local features (scattering centers) on the target. After the field has completely traversed the target, the late-time response which is related to the global features (natural resonance frequencies) of the target begins to appear. Because the selection of proper feature vectors is crucial to the success of target identification it is recommended that feature vectors contain information on early-time scattering centers and late-time natural frequencies simultaneously. In this dissertation, we propose a novel method for scattering centers and complex natural resonance (CNR) frequencies extraction. One-dimensional (1-D) and two-dimensional (2-D) scattering centers have been used as important features for automatic target recognition (ATR). There-fore, many researchers have developed various scattering center extraction techniques. The well-known techniques are model-based methods and a FFT (fast Fourier transform)-based CLEAN method. The model-based method has a high resolution, but is not robust to random noise. The FFT-based method has robustness, but does not have high resolution. In this dissertation, we pro-pose a novel method, called evolutionary programming (EP)-based CLEAN, which has high resolution and robustness at the same time. The 1-D and 2-D EP-based CLEAN use the 1-D and 2-D undamped exponential models and EP for an optimization of cost function. The EP-based CLEAN algorithm has many advantages compared to conventional methods. First, it takes advantage of the FFT-based CLEAN method and model-based methods simultaneously. Second, it is very fast compared to the genetic algorithm (GA)-based method since it extracts the parameters of each scattering center step-by-step. Third, false estimation of the number of scattering centers does not affect the accuracy of parameter extraction, as does the model-based methods. Fourth, the extracted parameters of the scattering centers are very accurate since they do not have a bias, as is the case with the model-based methods. Fifth, it does not require transforming of the coordinates of the measured data from polar to Cartesian in 2-D scattering center extraction. For the verification of the proposed algorithm, we use synthesized data composed of several ideal point scatterers and measured data at the compact range of Pohang University of Science and Technology (POSTECH). We will show the high-resolution characteristic and the robustness to random noise through simulations. We will also show the accuracy of extracted parameters compared with the matrix enhancement and matrix pencil (MEMP) method, a high-resolution method. The natural frequencies are also used as efficient features for radar target recognition. For natural frequency extraction, we use a late-time EP-based CLEAN which is a time-domain CLEAN algorithm. The late-time response has small energy compared to the early-time response. Therefore, a good resonance frequency extraction method must be robust to random noise and insensitive to the estimation of model order. Our algorithm meets these requirements. We will show these characteristics using the synthetic data and measured data at the Michigan State University arch range. Finally, we performed a motion compensation using time-frequency EP-based CLEAN. When a target has a complex rotational and translational motion, the radar image by using IFFT can be blurred. The inverse sythetic aperture radar (ISAR) image contains the information of a two-dimensional distribution of scattering centers. Therefore, the motion compensation is needed for obtaining a cleaned ISAR image. Time-frequency motion compensation replacec the Fourier transform with the time-frequency transform. In this dissertation, we use the time-frequency EP-based CLEAN algorithm which is more accurate than the conventional adaptive wavelet transform (AWT). We used the simulated MIG-25 data for the verification of our algorithm.

An ontology model and reasoner to build an autonomic system for U-Health smart home

김진 포항공과대학교 정보통신대학원 2010 국내석사

과학 기술이 발전하고 컴퓨터가 사람의 생활에 필수적인 요소로 들어오게 된 이후, 그 활용에 대한 연구가 끊임없이 진행되어왔다. 그 중, 건강한 삶을 영위하고자 하는 사람들을 도와주기 위한 연구들이 진행되어왔다. 왜냐하면 나이가 들어가면서 건강을 지키고 질병에 걸리지 않는 데 많은 노력을 아끼지 않기 때문이다. 이런 건강에 대한 우려에 대해 스마트 홈 시스템이 그 대한으로 제시될 수 있다. 하지만 효율적이고 지능적인 스마트 홈 시스템을 구축하기 위해서는 많은 고려할 점이 존재한다. 나이든 사람들이 지닐 수 있는 질병의 다양성과, 질병에 의한 진단의 복잡함에 따른 어려움, 스마트 홈 내부에 존재하는 다양한 종류의 기기들에 대한 관리와 네트워킹 등, 많은 문제점들이 풀어야 할 문제로 제기되고 있다. 본 연구는 포항공대 U-health 스마트 홈 프로젝트의 일부분으로써, 앞서 언급한 문제들을 해결할 수 있는 시스템 구축의 초기 단계의 수행결과이다. 연구의 목적은 시멘틱 웹 기술들을 이용하며 구축한 온톨로지와 리즈너를 만드는 것이며, 이는 U-health 스마트 홈을 위한 자율 컴퓨팅 환경 구축의 기본이 되는 것이다. 스마트 홈에 관련한 많은 온톨로지들이 이미 구현이 되어있지만, 해당 온톨로지에 대한 정당성과 타당성을 언급하기는 어렵다. 온톨로지 구현의 목적은 해당 시스템에 최적화되어 만들어지기 때문이다. 이러한 이유로 본 연구에서 제안하는 모델은 이와 같은 단점을 극복하고 모델에 합리성을 부가하기 위해 국제 표준인 CIM 모델을 변형하여 구축함으로써 스마트 홈 내부에 있는 다양한 기기들에 대한 관리를 효율적이고 합리적으로 수행할 수 있게 하였고, 추가로 다양한 클래스와 프로퍼티들를 생성함으로써 의사 결정 시스템이 상황을 인지하여 정확한 결정을 내릴 수 있게 하는 기반을 제공한다. 또한 다양한 SWRL로 작성된 규칙을 제공함으로써 시스템의 영리한 판단을 내릴 수 있고, 정확한 의사 결정을 가능하게 하는 논리적인 의사 결정 흐름을 생성하여 시스템의 동작에 대한 자율화를 가능하게 한다. 기존의 연구들과 구분이 되는 있는 점은 다양한 분야를 위한 온톨로지 모델 구축이라는 것이다. 단순히 상황을 인지하기 위함이 아닌, 인지 후 시스템에 의한 효율적이고 지능적인 의사결정, 스마트 홈 시스템 내부의 기기들에 대한 합리적인 관리가 가능하게 하기 위함이 본 연구에서 제시하는 모델의 목적이기 때문이다. 논문의 구성은 다음과 같다. 1장에서는 문제 상황에 대한 제기와 파악, 연구의 목적이 기술되어 있다. 2장에서는 U-health 스마트 홈에 대한 관련 연구들과 본 연구에서 사용되는 기술이나 개념에 대한 전반적인 정의들이 설명되었고, 연구에서 해당 기술들이 어떻게 사용되면 기존의 연구들과 어떠한 점이 다른 지에 대한 설명이 되었다. 3장에서는 본 연구에서 제안하는 모델이 사용될 스마트 홈을 위한 자율 컴퓨팅 환경에 대한 설명이 기술되었다. 이 자율 컴퓨팅 환경은 분산된 모듈에 의한 프레임워크로 되어 있으며, 각 모듈의 역할과 의사결정에 의해 필요한 흐름에 대해서 설명한다. 4장에서는 제시된 모델의 구현 목표와 방법이 제시되었으며, 본 모델을 이용한 리즈너의 역할과 구현에 대한 방법이 예시와 함께 기술되었다. 또한, 국제 표준인 CIM에 대한 설명과 온톨로지로 사용하기 위해서 사용된 요소와 시멘틱 웹 기술을 사용하기 위한 CIM 요소의 변환방법과 활용에 대한 설명이 되었다. 추가로 의사결정 시스템이 효율적으로 의사결정을 하기 위해 추가적으로 생성된 요소에 대한 설명이 되어 있으며, 의사 결정의 논리적인 흐름에 대한 검증과 모델의 무결성 보장을 위한 리즈너의 설명이 되어있다. 5장에서는 온톨로지 모델과 리즈너의 구현환경과 사용가능한 시나리오가 기술되고, 해당 시나리오를 지지할 수 있는 의사 결정을 위한 SWRL 규칙 생성을 위한 구현 방법이 기술되었다. 마지막 6장에서는 본 논문에 대한 요약과 공헌, 앞으로 개선해야 할 사항이 기술되었다. 본 모델은 U-health 스마트 홈 시스템에서 사용될 모델이기 때문에 해당 시스템이 어떻게 구성이 되어야 할지에 대한 언급과 데이터 흐름에 대한 시퀀스 다이어 그램이 설명되었다. Two primary concerns for our aging society are preserving good health and avoiding disease. A Smart Home system is one possible way to solve this complex problem. However, it is very complex to build a smart home system for several reasons. First, it is hard to track the behavior of elderly people at home, because each person has unique needs and behavior. In addition, it is very difficult for a system to know whether a given behavior is normal or not. Second, medical symptoms are very complex. Current medical treatment uses various disease symptoms to choose one or more appropriate medical specialists. Third, there can be many heterogeneous technologies at home that use different transport protocols, management data, command languages and specifications. These technologies are a mix of standard and proprietary solutions, making it difficult to build a universal system. To solve these problems, this research which is a part of POSTECH U-Health smart home project, was started. This thesis, is the result of the research, makes two significant contributions to the area. The first contribution is general architecture for the U-Health smart home project at POSTECH. The requirements are introduced and proposed in this thesis. The second contribution is a semantic model that can be used by an autonomic system to make intelligent decisions in a smart home environment. To create the appropriate model, various semantic technologies, which use OWL as the programming language, Prot?g? 3.4.2 as a tool for ontology creation and SWRL as a language for reasoning, were used. Furthermore, for reasonable ontology, open standard CIM version 2.22, which is defined and published by DMTF, was used as a framework.

The design of all-dielectric metasurface for selectively blocking Near-Infrared region of solar spectrum

김은종 포항공과대학교 일반대학원 2020 국내석사

Blocking near-infrared region (NIR) is indispensable for saving energy consumed to maintain an interior temperature in buildings. The methods of blocking NIR are divided into two types. One is blocking NIR without visible light for applying to windows. The other is blocking the overall solar spectrum including visible light because the visible light accounts for 45% in the solar spectrum. Thus, we designed the metasurface of two types, respectively. In the transparent metasurface blocking NIR, simultaneously enhancing transmission in visible light and blocking in NIR remains challenging. Here, we demonstrate the trans-parent all-dielectric metasurface selectively blocking the NIR by using TiO2 nanocylinder and ITO layer. The ITO layer is implemented as a back reflector because the ITO is trans-parent in visible light whereas the ITO becomes reflective materials in the long-wavelength region (λ > 1500 nm). The designed metasurface exhibits a high average transmittance of 70% in visible light and high solar energy rejection (SER) of 90% in NIR. Furthermore, the performance of the designed metasurface is maintained over a wide range of an incident angle of light. Therefore, the metasurface gives an advanced guide-line for design energy-saving applications. In the opaque metasurface blocking NIR, the previous all-dielectric metasurfaces have difficulty in reflecting overall NIR because the reflection region is too narrow. Here, we demonstrate the all-dielectric metasurface blocking almost overall NIR by using amor-phous Si (a-Si) and SiO2. Since amorphous Si has a high refractive index (~3.3) and high extinction coefficient in NIR, the designed metasurface exhibits high reflection (1050 nm ≤ λ ≤ 2320 nm) as well as high absorption (λ < 1040 nm), thereby leading to high solar energy rejection (SER) of 94% in NIR. The performance of the designed metasurface is independent over a wide range of incident light. Furthermore, a-Si substrate constituting the metasurface can be readily deposited on other materials such as glass and plastic film, so the proposed metasurface has high applicability for a large-area fabrication rather than crystalline Si and GaAs.

인공 포텐샬장을 이용한 원격조종로봇의 접촉힘제어

채종현 포항공과대학교 대학원 1997 국내석사

Characterization of phospholipase C-β1 subtypes : Phospholipase c-β1 subtypes의 특성규명에 대한 연구

Park, Young Gil 포항공과대학교 대학원 1995 국내박사

Long-working(0.3m) distance microscope

조재영 포항공과대학교 일반대학원 2022 국내석사

포항공대 아토초 과학 연구실 내 아토초 광 시설의 경우 반경이 25 수준의 진공 챔버 안에 수십 수준의 TMDC 샘플을 활용하는 실험을 진행하고 있다. 진공 밖에서 30~40 수준의 TMDC 샘플에 대한 레이저의 집속위치를 관측하기 위해서 긴 Working distance의 고배율 현미경의 필요성이 대두되었다. 이를 해결하기 위해 Long-working(0.3m) distanace microscope을 제작을 하여 진공 챔버 안의 TMDC샘플을 측정해야 한다. Microscope를 위의 상황을 고려하며, 간단하게 구현하기 위하여 몇 가지 조건과 제약을 두었다. (1) 색수차를 줄이기 위해 532 의 단일 파장에서 작동 (2) 10배 이상의 배율을 구현 (3) 실제 제작을 위해 첫번째 렌즈로부터 detector까지의 거리를 40 이하 제약 (4) 간단한 제작을 위해 최대한의 상용렌즈 사용 (5) 시뮬레이션을 통해 단색수차의 최소화 위의 조건과 제약을 통해 시뮬레이션을 진행하였고, 시뮬레이션 결과를 바탕으로 실험을 진행하였다.시뮬레이션을 기반으로 한 실험 결과 최대 25배의 배율과 8μm 분해능의 이미지를 얻는 데 성공했다. The need for a high magnification microscope with a long-working distance has emerged in order to observe the laser focus position for TMDC sample with a 30~40 μm. To solve this problem, a long-working (0.3m) distance microscope should be manufactured to measure TMDC samples in a vacuum chamber. Some conditions and restrictions were placed for simple implementation. (1) Operates at a single wavelength of 532 to reduce chromatic aberration (2) Realize a magnification of 10 times or more (3) Limit the distance from the first lens to the detector to 40 or less for actual production (4) Use of commercial lenses as much as possible for simple production (5) Minimization of monochromatic aberration through simulation Simulations were conducted through the above conditions and constraints. As a result of the experiment based on the simulation, it succeeded in obtaining an image with a magnification of up to 25 times and a resolution of 8 μm.

Design and Fabrication of Nanoscale Metal Interconnections for Transparent Deformable Electronic Devices

김동욱 포항공과대학교 일반대학원 2021 국내박사

As transparent displays and touch screens begin to be introduced to the public, the technology for transparent deformable electronic devices is attracting enormous attention as a next-generation electronic technology. Deformable optoelectronic devices, such as displays, solar cells, touch screens, and smart windows that maintain their functions under mechanical deformations have been developed, and various approaches to transparent deformable electrodes have been studied intensively. Despite these interests, transparent deformable nano- and micro-scale integrated interconnections that are easy to be patterned and positioned are receiving somewhat less attention. Since the most successful and feasible concept leading to deformable devices is linking rigid islands of active device components (transistor, light-emitting devices, photovoltaics, etc.) with deformable interconnections, developing transparent interconnections that can retain good electrical performance under high mechanical strain is highly required. In this work, I designed and fabricated three different types of transparent deformable nanoscale metal interconnections; (i) One-dimensional (1D) metal nanolines which were deposited on the flexible substrates by simple and reliable nanofiber (NF) photolithography, (ii) 1D wavy stretchable single metal NF which were individually positioned by the electrohydrodynamic (EHD) printing and metallized through room-temperature electroless plating, and (iii) Two-dimensional (2D) foldable and stretchable gold (Au) film hybrid electrodes which were composed of the anisotropic conductive ultrathin films (ACUFs) and the ultrathin Au film electrodes. These fabricated metal interconnections were not only electrically deformable but also optically transparent due to their nanoscale dimensions, and were able to be individually positioned and patterned in desired positions, shapes, and alignments. Also, all three deformable interconnections are fabricated by low-temperature processes and can easily expanded to large-scale production. The fabricated nanoscale metal interconnections were used as the interconnecting electrodes in the transparent and deformable field-effect transistors (FETs) array and the transparent electrodes of the deformable light-emitting devices.

Investigation on Thermal Stability of Metal-Interlayer-Semiconductor Contacts Using Carbon Implantation

이동훈 포항공과대학교 일반대학원 2022 국내석사

Effects of carbon implantation (C-imp.) on the thermal stability of MIS (Metal-Interlayer-Semiconductor) contact were investigated. The experiment was conducted on both Si and Ge substrates. To improve the thermal stability in MIS contact, C-imp. into MIS structures was applied. The current density (J) - voltage (V) characteristics showed that C-imp. changed the rectifying behavior to the ohmic-like behavior. The Schottky barrier height (SBH) was also reduced by the C-imp. These improvements can be beneficial to reduce the lower contact resistivity (ρc) with the rapid thermal annealing (RTA) temperatures ranging from 450 to 600 ℃. From the transmission electron microscopy (TEM) and electron energy loss spectroscopy (EELS) mapping, the MIS contact with C-imp. showed the suppression of oxygen diffusion into Ti layer. From the secondary ion mass spectrometry (SIMS) analysis, the segregation of P dopant at the interface was more facilitated with C-imp.. Thus, the C-imp. is promising to improve the thermal stability and to realize low contact resistivity of MIS contact.

Collaborative Discovery of Data Analytics Opportunities for Smart Manufacturing

박현섭 포항공과대학교 대학원 2021 국내박사

최근 제조 분야에서의 빅데이터 기술 발전으로 더 나은 품질, 비용 및 납기를 위한 데이터 분석 및 인공지능의 의사결정지원이 가능해졌다. 빅데이터를 효과적으로 활용할 수 있는 데이터 분석 기회를 발굴하는 것은 스마트 제조의 핵심 성공 요소이다. 데이터 분석 기회를 성공적으로 발굴하려면 다양한 전문 지식을 가진 전문가들의 협업이 필요하다. 본 학위 논문은 스마트 제조에서의 데이터 분석 기회를 협업 발굴할 수 있는 방법론을 제안한다. 본 방법론의 프레임워크는 전문가 집단, 데이터 분석 기회 지식 베이스 (DOKB), 우선순위 툴 (Prioritization Tool) 등 세 가지 구성요소로 이루어져 있다. 전문가 집단은 데이터 분석 기회를 탐색하고 우선순위화 하기 위한 다양한 지식을 제공한다. 웹 온톨로지 언어로 개발된 DOKB는 데이터 분석 기회를 탐색하기 위한 전문가 집단의 지식을 저장 및 활용한다. Prioritization Tool은 수정된 Fuzzy-TOPSIS를 활용하여 데이터 분석 기회들의 우선순위를 도출한다. 사례 연구는 NIST 연구진이 참여하여 스마트 적층 제조 공정에서의 데이터 분석 기회를 발굴했다. 그 결과, 적층 제조 방식의 L-PBF 공정에서 264 개의 데이터 분석 기회를 도출하고 우선순위화 했다. 우선순위화 된 데이터 분석 기회들은 L-PBF 공정을 위한 데이터 분석 방향을 설정하는 데에 활용될 수 있다. 또한, 본 방법론은 데이터 분석 기회 관련 지식의 공유, 재사용, 수정, 확장을 가능하게 한다. 그러므로 본 방법론은 스마트 제조 내 전문가 협업을 지속적으로 촉진하여 높은 잠재력과 효과를 가진 데이터 분석 기회들을 지속적으로 발굴할 수 있다. Recent advances in big-data technology give the manufacturing domain the potential of using Data Analytics (DA) and Artificial Intelligence (AI) to support decision-making to increase quality, reduce cost, and facilitate delivery. Consequently, the ability to identify DA opportunities for effective use of big data has become a critical factor in the success of Smart Manufacturing. Identification of high-potential DA opportunities requires collaboration of experts from different backgrounds. This dissertation proposes a method that enables collaborative discovery of DA opportunities for Smart Manufacturing. The framework of the proposed method has three components: a team of experts, a DA Opportunity Knowledge Base (DOKB), and a prioritization tool. A team of experts provides diverse knowledge that can be used to identify and prioritize DA opportunities. The DOKB, developed using the Web Ontology Language, captures diverse knowledge from the team of experts to identify DA opportunities. The prioritization tool ranks the identified DA opportunities by using the modified Fuzzy integrated Technique of Order Preference Similarity to the Ideal Solution (Fuzzy-TOPSIS). A case study, in which National Institute of Standards and Technology researchers participated, identifies and prioritizes DA opportunities in Smart Additive Manufacturing (AM). As a result, 264 DA opportunities for AM’s Laser-Powder Bed Fusion (L-PBF) process are identified and prioritized. The prioritized DA opportunities help set a DA direction for L-PBF AM. Our method keeps DA opportunity-related knowledge sharable, reusable, revisable, and extendable. Thus, this method can continue to facilitate collaboration within Smart Manufacturing to identify high potential and high-impact DA opportunities.

Study on the Hotspot and Mechanism for Enhancing Insulin Receptor Activation Revealed by a Conformation-Specific Allosteric Aptamer

박만근 포항공대 대학원 2021 국내박사

Diabetes mellitus is a metabolic disease associated with high blood glucose levels that is a current global epidemic. Insulin resistance, a pathological condition in which cells fail to respond to insulin, primarily causes type 2 diabetes, which accounts for about 90% of diabetes cases. To overcome type 2 diabetes, it is thus particularly important to enhance the activity of insulin-mediated receptor signaling cascades. Insulin receptor activation plays a key role in maintaining normal blood glucose levels. Upon stimulation with insulin, autophosphorylated insulin receptor regulates blood glucose levels by causing GLUT4 translocation to the cell membranes in adipose tissue as well as skeletal and cardiac muscles. Insulin resistance reduces this insulin sensitivity and hinders insulin receptor activation. Allosteric modulation is one mechanism for manipulating receptor-mediated cellular responses. Receptors typically recognize extracellular stimuli and transmits this information to the cellular interior. For this reason, fine-tuning receptor behavior is important to modulate receptor functions. Allosteric modulators do not bind to the orthosteric site, but rather bind to a separate allosteric site, causing conformation change to receptors that enable regulation of receptor-mediated cellular events. Some examples of allosteric modulators for different receptors include peptides, small molecules, antibodies, and aptamers. Aptamers are single-stranded oligonucleotides that bind to a specific target with high affinity; and are widely used as affinity reagents, bio-imaging probes, biosensors, cancer therapies, drug delivery systems, and therapeutics. As a result, aptamers have been in the spotlight due to their seemingly universal function. However, in most cases, the use of aptamers has largely been limited to simple binders or inhibitors that interfere with the function of a target protein. Here, I show that an aptamer can also act as a positive allosteric modulator that enhances the activation of a receptor by stabilizing the binding of a ligand to that receptor. I developed an aptamer, termed IR-A43, which binds to the insulin receptor, and confirmed that IR-A43 and insulin bind to the insulin receptor with mutual positive cooperativity. IR-A43 alone is inactive, but, in the presence of insulin, it potentiates autophosphorylation and downstream signaling of the insulin receptor. By using the species-specific activity of IR-A43 at the human insulin receptor, I demonstrate that residue Q272 in the cysteine-rich domain is directly involved in the insulin-enhancing activity of IR-A43. Therefore, I propose that the region-containing residue Q272 is a hotspot that can be used to enhance insulin receptor activation. Moreover, my study implies that aptamers are promising reagents for the development of allosteric modulators that discriminate a specific conformation of a target receptor. For the structural analysis of the IR-A43, insulin receptor, and insulin complex, I established a cell-line overexpressing the insulin receptor to be purified up to enough amount for single-particle cryo-electron microscopy analysis. This may be useful for the determination of the molecular structure of the complex and suggestion of the detail molecular mechanism of insulin receptor enhancement. 당뇨병은 현재 전 세계적으로 유행하고 있는 고혈당 수치와 관련된 대사 질환이다. 인슐린 저항성은 세포가 인슐린에 반응하지 않는 병리학적 상태를 말하여, 당뇨병 사례의 약 90%를 차지하는 제2형 당뇨병을 유발한다. 따라서 제2형 당뇨병을 극복하기 위해서는 인슐린에 의해서 매개되는 인슐린 수용체 신호 전달 체계의 활성을 강화하는 것이 특히 중요하다. 그 이유는, 인슐린 수용체 활성화는 정상적인 혈당 수치를 유지하는데 중요한 역할을 하기 때문이다. 인슐린 자극에 의해서 자가-인산화 된 인슐린 수용체는 GLUT4를 골격근과 심장 근육뿐 아니라, 지방 조직의 세포막으로 이동시켜 세포 외부에 존재하는 포도당을 흡수시켜서 혈당 수치를 조절할 수 있도록 한다. 그러나 인슐린 저항성은 인슐린 수용체에 대한 인슐린의 민감성을 감소시키고 인슐린 수용체의 활성화를 방해한다. 다른 자리 입체 조절은 수용체를 매개하여 일어나는 세포 내 반응을 조절할 수 있는 하나의 방법이다. 일반적으로, 수용체는 세포 외 자극을 인식하고 이 정보를 세포 내부로 전달하는 역할을 한다. 그렇기 때문에 수용체의 미세 조절이 수용체에 의해 매개되는 세포 내 반응 조절에 있어 매우 중요하다. 다른 자리 입체 조절자는 리간드가 결합하는 자리가 아닌, 다른 자리 입체 자리에 결합하여 수용체의 구조적 변화를 유도하고, 수용체가 매개하는 세포 내 반응들을 효과적으로 조절할 수 있다. 수용체를 효과적으로 조절 하기 위해서 작은 분자, 펩티드, 항체 및 압타머가 다른 자리 입체 조절자로서 사용되고 있다. 다른 자리 입체 조절자 중 하나인 압타머는 높은 친화력을 바탕으로 특정 표적에 결합하는 단일 가닥의 핵산이며, 바이오 이미징 프로브, 바이오 센서, 암 치료, 약물 전달 시스템 및 치료제로 널리 사용되고 있다. 그러나 대부분의 경우, 압타머의 사용은 표적 단백질의 기능을 방해하는 저해제 또는 단순한 결합제로 크게 제한 되어 있다. 나는 이번 연구에서 압타머가 리간드와 수용체의 결합을 안정화함으로써 수용체의 활성화를 향상시키는 양성 다른 자리 입체 조절자로서 (positive allosteric modulator) 역할을 할 수 있음을 보여 주었다. 나는 이번 연구를 통하여 인슐린 수용체에 결합하는 IR-A43이라는 압타머를 개발하였으며, IR-A43과 인슐린이 인슐린 수용체에 상호 양성 협력성 (positive cooperativity)을 가지고 결합한다는 것을 확인하였다. IR-A43은 단독으로는 활성을 나타내지 않지만, 인슐린이 있는 경우 인슐린 수용체의 자가-인산화 및 하위 신호 전달을 강화시킨다. 인간 인슐린 수용체에 대한 IR-A43의 종 특이적 활성을 이용하여, 시스테인 풍부한 도메인 (cysteine-rich domain)의 Q272 잔기가 IR-A43의 인슐린-강화 활성화에 직접 관여함을 입증하였다. 이번 연구를 통하여 Q272 잔기를 포함하는 영역은 인슐린 수용체 활성화를 향상시키는데 사용할 수 있는 중요한 부위 (hotspot) 이라고 제안하였다. 또한, 이번 연구는 압타머가 표적 수용체의 특정한 구조를 인식할 수 있는 다른 자리 입체 조절자로서 개발될 수 있음을 보여주었다.