인공지능(AI)과 로봇으로 새로운 화학 생성물을 빠르게 탐색하고 보다 정밀하게 만들 수 있게 됐다.
기초과학연구원(IBS) 바르토슈 그쥐보브스키 인공지능및로봇기반합성연구단장 연구팀이 빠르고 정밀하게 화학 합성물을 실험･생성하는 AI･로봇 플랫폼을 개발했다.
이번 플랫폼은 AI와 로봇을 결합해 수천 가지 화학반응 조건을 동시에 실험하고, 결과를 정밀지도로 그려내 원하는 물질을 선택적으로 생성할 수 있도록 구현한 것이 특징이다.
화학반응은 ‘A와 B가 반응해 C를 만든다’처럼 단순한 방정식으로 설명되는 경우가 많다.
하지만 실제 같은 재료를 사용하더라도 그 양이나 온도가 달라지면 전혀 다른 결과가 나올 수 있고, 그 과정은 여러 경로의 복잡한 네트워크 형태로 이뤄진다.
연구팀은 하루 약 1000회의 화학실험을 자동 수행하는 AI･로봇 플랫폼을 제작해 실험 데이터를 축적･분석, 복잡한 네트워크 형태 화학반응 과정을 정밀한 지도로 그렸다.
이를 통해 다양한 화학반응이 어떤 결과로 이어지는지 시각화하고 특정 조건에서 나타나는 숨은 화학반응 경로까지 발견했다.
특히 동일 물질을 사용해도 반응 조건을 달리하면 전혀 다른 생성물로 전환시킬 수 있음을 확인하고, 그간 알려지지 않았던 새로운 생성물질까지 규명했다.
실제 연구팀은 150년 전 처음 보고된 항생제, 항암제 등 의약품 제조에 활용되는 ‘한츠슈 피리딘 합성반응’을 이번 플랫폼으로 정밀하게 지도화하고 전체 반응 네트워크를 재구성했다.
한츠슈 피리딘 합성반응은 포름알데히드, 알데히드, 에틸 아세토아세테이트 등 2개 성분과 아세트산 암모늄이나 암모니아 같은 질소 기증자 사이의 다성 유기반응으로, 의약품의 기본 골격인 피리딘 구조를 합성하는 데 유용하다.
실험 결과 이미 알려진 7종의 생성물 외에 9개의 새로운 중간체 및 생성물을 추가로 밝혀냈다.
연구팀은 이차전지에 활용되는 ‘프러시안 블루 유사체(PBA)’의 금속조성 756가지를 합성해 기존에 보고된 촉매보다 높은 효율성과 정밀도를 갖는 최적 조합을 찾아내고, 지금까지 보고되지 않았던 새로운 생성물 4종을 규명했다.
프러시안 블루 유사체는 두 종류 전이금속이 시안화물 리간드와의 배위결합을 통해 서로 연결돼 만들어진 구조체로, 이차전지 양극제, 바이오센서, 촉매 등에 활용된다.
이번 연구는 고전 화학반응에서도 풀어야 할 미지의 경로를 품고 있음을 밝히고, 그간 알지 못한 화학반응에 대한 이해의 폭을 넓히는 한편 화학합성의 효율성과 정밀성을 높이는 방향을 제시해 큰 의미를 갖는다.
아울러 AI 활용에 필수인 데이터 축적 효율성을 획기적으로 높인 것도 높게 평가받는다.
지금까지 전통적 화학실험으로는 AI 학습에 필요한 데이터가 충분하지 않았던 것을 로봇을 통해 새로운 실험･반응 데이터를 빠르게 축적하고 AI로 바로 연계해 미지의 화학영역 탐구와 새로운 물질 연구가 한층 빨라질 전망이다.
이번 연구의 제1저자인 얀카이 지아 IBS 선임연구원은 “로봇과 AI 활용을 고도화해 새로운 화학물질 발견 속도를 획기적으로 높이고, 새로 찾은 분자들을 신소재 연구에 활용할 계획”이라고 말했다.
그쥐보브스키 연구단장은 “화학반응을 직선이 아닌 네트워크 형태로 바라보는 것은 향후 화학 연구에 중요한 전환점이 될 것”이라며 “AI와 로봇 활용을 통해 화학 합성의 효율성과 다양성을 크게 높이고 미래 신약 개발과 소재 혁신에도 기여할 것으로 기대한다”고 설명했다.
한편, 이번 연구결과는 25일 국제학술지 ‘네이처(Nature)’ 온라인에 게재됐다.
(논문명 : Robot-assisted mapping of chemical reaction hyperspaces and networks / Nature, September 25, 2025)
(저자 : Yankai Jia, Rafał Frydrych, Yaroslav I. Sobolev, Wai-Shing Wong, Bibek Prajapati, Daniel Matuszczyk, Yasemin Bilgi, Louis Gadina, Juan Carlos Ahumada, Galymzhan Moldagulov, Kim Namhun, Eric S. Larsen, Maxence Deschamps, Yanqiu Jiang, Bartosz A. Grzybowski)
