05 인공지능으로 우주대소변 문제해결

Contents

0 인공지능으로 우주대소변 문제해결

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중 학 교

프로그램명 인공지능으로 우주대소변 문제해결 :

1 프롤로그

사진 : ©NASA / Loura Hall

우주선에서 생활하는데 가장 큰 문제는 사람들의 대소변이었다 중력이 , .

거의 없기 때문에 대소변을 처리하는데 많은 애를 쓰고 있다 . 16 년도 전에

까지는 우주인의 대소변을 해결해준 것은 기저귀였다 . 2016 년도에 NASA 에

서는 이러한 우주 대소변문제를 해결하기 위한 공모전을 기획했으며 수상한

의사에게 3500 만 원의 상금을 수여했다 . 2020 년대 우리도 학교공모전을 통

해 창의적인 아이디어로 우주대소변의 문제를 해결할 수 있는 우주복을 디

2 생각 열기

| 01 : 우주에서 배설물을 고민하다.

화성에서 사람의 배설물로 감자를 키울 수 있을까?

▸

- 우주에서 인간의 대변은 이와 같이 식물재배를 위한 중요한 물질이 되기도 한다 그럼 배설. 물에는 어떤 물질이 들어 있을지 생각해 보자.

미국 우주인들의 식수는 정수 처리한 소변

▸

- 장기간 우주공간에 머무르는 국제우주정거장의 우주인들이 사용하는 물의 93%는 정수과정 을 거쳐 재활용된다 그 이유는 지구에서 물을 조달하는 비용이 너무 비싸기 때문이다. . - 우주인들은 어떤 물을 재활용할지 함께 생각해 보자.

화성에서 감자재배 마션( ) 화성에서 식물재배 컨셉 식수 재활용

| 02 : ^{소화계와 배설계}

소화계와 배설계의 이해

▸

- 섭취한 음식물들을 물리적인 작용이나 화학적인 작용을 이용하여 분해해 영양분을 체내로 흡수할 수 있도록 하는 것을 소화라고 하는데 체내에서 이 소화 과정에 이용되는 모든 기, 관들을 소화계라고 한다.

배설물의 활용을 위한 원리

▸

(1) 대변 친환경에너지인 바이오가스로 재활용가능 대변을 탱크에 모은 뒤 메탄이라는 : , 물질을 생성하는 세균을 넣고 발효시키면 다량의 메탄가스 포집 가능

(1) 대변을 말려서 굳힐 경우 석탄과 유사한 고체형 대체연료로 활용 가능

(2) 소변 : 1000리터당 600g의 인 칼륨과 , 900g의 유황이 함유되고 연료전지를 통과하는 ., 과정에서 박테리아와 작동해 전기가 생산되어 충전 가능

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중 학 교

활동지 1-1 배설물의 재발견

학년 반 번 이름

( ) ( ) ( ) ( ) 화성에서 사람의 배설물로 감자를 키울 수 있을까

1. ?

화성에서 감자재배 마션( ) 화성에서 식물재배 컨셉

우주에서 인간의 대변은 이와 같이 식물재배를 위한 중요한 물질이 되기도 한다 그럼 배설. 물에는 어떤 물질이 들어 있을지 생각해 보자.

미국 우주인들의 식수는 정수 처리한 소변

2. ?

국제우주정거장에서 식사 식수 재활용

장기간 우주공간에 머무르는 국제우주정거장의 우주인들이 사용하는 물의 93%는 정수과정을 거쳐 재활용된다 그 이유는 지구에서 물을 조달하는 비용이 너무 비싸기 때문이다 우주비행. . 사를 위해 물을 어떻게 재활용하면 좋을지 생각해 보자.

활동지 1-3 소화계와 배설계

1. 우리가 배설을 하는 이유

소화계 1)

① 각 영양소의 소화 과정

 녹말은 입 침샘 과 이자에서 분비하는 소화 효소인 ( ) 등의 작용으로 분해된다.

 단백질은 위에서 분비하는 과 이자에서 분비하는 등의 작용으로 분해 된다.

 지방은 이자에서 분비하는 의 작용으로 분해된다.

② 소화된 영양소는 대부분 에서 흡수된다.

③ 소장 안쪽의 구조 많은 주름과 : 이 있다. ➡ 영양소와 닿는 표면적이 넓어 영양소 를 효율적으로 흡수할 수 있다.

④ 대장의 작용 소화 작용은 거의 일어나지 않고 주로 : , 이 흡수된다.

배설계 2)

① 배설 콩팥에서 오줌을 만들어 요소와 같은 : 을 몸 밖으로 내보내는 과정 ➡ 세포 에서 이 분해될 때 만들어진 암모니아 독성이 강함 가 ( ) 에서 요소 독성이 ( 약함 로 바뀐다) .

② 배설계 배설 기능을 담당하는 기관계 : ➡ 콩팥 오줌관 방광 요도 등으로 이루어져 있다, , , .

③ 콩팥의 구조 주먹만 한 크기로 허리의 등 쪽 좌우에 한 개씩 있으며: , 을 만든다.

콩팥 겉질

콩팥의 가장 바깥

부분 오줌을 만드는 단위인 네프론이 있다.

➡ , 보먼주머니 세뇨관으로 이루어져 있다, . 콩팥의 중간 부분

콩팥 깔때기

콩팥의 가장 안쪽

빈 공간 네프론에서 만들어진 오줌이 잠시 모이는 부분

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중 학 교

활동지 1-3 소화계와 배설계 배설물의 재활용 1.

1) 대변을 자원으로 재활용하는 사례를 조사하여 정리해보자.

2) 소변을 에너지화 한 사례에 대해 조사하여 정리해보자.

대소변 재활용 아이디어 제안하기 2.

1) 목표 사람의 배설물을 활용하여 자원화 할 수 있는 아이디어를 제안해서 발표해 보자: . 2) 방법 : 10분 이내 개인별 아이디어를 구상하고 포스트잇에 작성한 뒤 공유한다.

원격수업의 경우 패들렛의 담벼락을 활용하기

( )

아이디어 표현하기 아이디어 설명하기

3 생각 펼치기

| 01 : ^{인공지능과 딥페이크}

▸ 대소변 문제를 해결하기 위한 우주복 아이디어 시각화하기 - 말하는 대로 이미지 만들어주는 개발AI

- 문장에서 이미지를 자동 생성할 수 있는 기술 드로잉봇AI ‘ ’ 존재하지 않는 인물 딥페이크‘ ’

▸

- 2017년 미국 워싱턴대학교 연구팀은 를 활용하여 가짜 오바마 대통령AI (fake Obama)을 만 들고 실제에 가까운 연설을 하는 모습을 구현

| 02 : 인공지능으로 이미지를 생성하라.

비지도학습의 이해

▸

- 비지도학습이란 정답 없이 새로운 것을 지속적으로 생성해 낼 수 있는 능력을 가진다는 것 은 그 데이터를 완전히 이해하고 있다는 의미로서 분류하는 것도 자동적으로 가능하다는 것이다.

비지도학습을 활용한 GAN알고리즘

▸

- 처음 GAN모델은 경찰과 위조지폐범 사이의 게임에 비유됨

- 위조지폐범은 최대한 진짜 같은 화폐를 만들어 생성 경찰을 속이기 위해 노력하고 경찰은 ( ) 진짜 화폐와 가짜 화폐를 완벽히 판별 분류 하여 위조지폐범을 검거하는 것을 목표로함( )

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중 학 교

활동지 2-1 인공지능 이미지생성 알고리즘

1. 2017년 미국 워싱턴대학교 연구팀은 를 활용하여 가짜 오바마 대통령AI (fake Obama)을 만들고 실제에 가까운 연설을 하는 모습을 구현하였다 영상. ( :http://t2m.kr/2mWM4) 이것 은 존재하지 않는 인물 딥페이크 라고 불리 우는 인공지능 이미지생성 기술이다‘ ’ .

인공지능에 의해 만들어진 인물이 우리에게 어떤 영향을 줄 수 있을지 생각해 보자

.

비지도학습의 이해 2.

준비 그림카드 참고 활동지 - : ( 2-3),

과정 -

장의 그림카드를 펼쳐 놓습니다

1) 30 .

스스로 기준을 세워 그림카드를 가지로 분류합니다

2) 2 .

활동지 2-2 비지도학습을 활용한 GAN알고리즘

비지도학습의 GAN 알고리즘이란 가짜데이터를 꾸준히 만들면서 진짜 데이터 수준까지 도달하게 됨으로써 진짜와 가짜의 분류가 어려울 만큼 데이터를 생성하는 학습모델로서 이미지 자동생성의 분야에 주로 활용되고 있다.

알고리즘이 적용된 의 고갱 체험하기

1. GAN nvidia (GauGAN) 사이트 접속하기

1) GauGAN

화면 설명

접속한 뒤 에서

http://t2m.kr/YNPWL NVIDIA GAUGAN 를 클릭한다.

체험하기 2) GAN

화면 설명

왼쪽 캔버스에 분류된 영역의 선과 도형으로 표현을 할 경 우 오른쪽 캔버스에 실제와 유사한 이미지를 생성하게 된다.

응용하기 3) GAN

화면 설명

이미지를 생성한 다음에 하단의 물음표박스를 누르면 다양, 한 컨셉으로 표현된다.

내가 다녀왔던 여행지의 모습을 으로 표현하고 스토리텔링을 구상해 보자

- GauGAN .

은 다음과 같이 시제품을 디자인하거나 웹툰 이미지를 통해 독자가 웹툰 속 주인공 2. GAN

이 되는 경험을 제공한다. GAN알고리즘을 활용하여 어떤 인공지능 서비스를 할 수 있을 지 아이디어를 구상해 보자.

스케치로 시제품 디자인 네이버웹툰 마주쳤다‘ .’

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중 학 교 4 생각 다지기

| 01 : 대소변 해결 우주복 아이디어 챌린지

대소변문제를 해결하기 위한 우주복 디자인 아이디어스케치

▸

(1) 대소변을 처리할 수 있는 우주복을 디자인하기 위해 고려해야 할 점을 그룹을 지어 마인 드맵을 제작하여 토의하기

우리 몸의 소화기관을 참고했을 때 우주복에 필요한 기능 -

배설물을 자원으로 이용하기 위해 배설물이 어떤 경로로 배출되어야 할까

- ?

우리가 우주복에서 강조하고 싶은 기능 -

(2) 가지 안으로 아이디어를 추려 구체적 형태와 기능을 아이디어 스케치를 통해 표현하기3 , 선 드로잉으로만 표현하기

| 02 : 인공지능으로 스토리텔링하라

- 대소변문제를 해결하기 위한 우주복 디자인 아이디어 스케치를 웹툰으로 스토리텔링을 해 보자 웹툰을 통해 메시지와 스토리를 만들고 우주복이 어떤 상황과 맥락에서 활용될 수 있. 는지를 표현한다 웹툰을 그릴 만한 그림실력이 되지 못한다고 걱정하지 말자 우리는 인공. . 지능 서비스를 활용해서 웹툰 작가처럼 스토리텔링을 할 수 있다 한번 도전해 보자. !

활동지 3-1 배설물 문제를 해결 할 수 있는 우주복 디자인 아이디어 스케치 배설물을 처리할 수 있는 우주복을 디자인하기 위한 우주복의 조건 1.

토의한 내용을 토대로 우리 모둠 우주복의 이름을 지어보자 2.

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중 학 교

활동지 3-2 배설물 문제를 해결 할 수 있는 우주복 디자인 아이디어 스케치 토의 내용을 바탕으로 우주복 디자인을 아이디어 스케치 해보자 3.

문제를 해결하기 위한 기능이 강조된 부분을 확대하여 부분적으로 스케치한다

- .

웹툰 제작 시 설명 대사를 넣기 위한 기능 설명글도 함께 고민하여 적어보자 -

전체 실루엣

< > <강조하고 싶은 기능>

강조하고 싶은 기능

< >

자기 동료 평가지/

학년 반 번 이름

( ) ( ) ( ) ( )

활동을 돌아보며 스스로를 평가해보세요.

내용 매우 잘함 5, 잘함 4, 보통 3, 부족 2, 매우 부족 1

칭찬할 점 개선할 점 /

5 4 3 2 1

5 4 3 2 1

5 4 3 2 1 즐거운 마음으로 작품을 감상하고

그에 대한 의견 또는 느낌을 적극 적으로 발표하였나요?

5 4 3 2 1

다른 친구들의 우주복 디자인 작품을 감상하고 평가해보세요.

모둠명 내용을 적어주세요 내용을 적어주세요 칭찬할 점

개선할 점 /

매우 잘함 5, 잘함 4, 보통 3, 부족 2, 매우 부족 1 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1

이번 수업을 통해 새롭게 알게 된 점이나 느낀 점을 적어보세요.

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중 학 교 5 진로 탐색

주제 관련 직업 진로 및 직업

에너지공학 에너지공학기술자

- 에너지공학기술자는 에너지사업을 위한 기술상 의 조건을 분석하며 이에 필요한 시스템 장비, 를 설계 계획 조직화한다, , .

- 석유 가스 매장량의 탐사 개발 추출과 관련된 , , , 연구 및 광석매장 광석보유량추정 및 탄광설, 계에 관한 측량 및 연구를 수행한다.

대체에너지 대체에너지

개발연구원

- 대체에너지개발연구원은 태양열 태양광 조력, , , 풍력 바이오매스 등의 대체 에너지를 연구ㆍ, 개발한다.

- 에너지의 사용으로 인하여 배출되는 환경오염 물질의 저감과 화석 연료의 효율적 이용을 위 한 청정 신재생 에너지의 안정적 공급과 에너 지 기술의 자립을 위하여 저공해 고효율의 대, 체 에너지 기술 연구 개발을 수행한다.

항공우주 항공우주공학기술자

- 항공기의 본체나 시스템 및 전자설비 레이더 ( 등 를 설계하고 실험 연구를 통해 새로운 항공) , 공학기술을 개발한다.

- 다목적 인공위성 로켓개발 등과 같은 프로젝, 트에 참여하여 기체나 시스템 및 각종 장비를 , 연구하고 설계한다.

인공지능 인공지능전문가

- 인공지능 전문가는 인간만이 갖고 있는 특징을 이해하고 이를 바탕으로 컴퓨터와 로봇 등이 , 인간처럼 생각하고 결정을 내리도록 하는 기술 을 개발한다.

- 기존 지식을 기계가 배우도록 한 뒤에 기계가 사람 대신 일하게 만드는 기술 저장한 지식과 , 여러 지식을 연결해 새로운 지식을 발견하는 기술 등 지식을 학습하고 다른 지식을 이끌어

학생 결과물 예시

작 품 1

웹툰 제작 투닝

< - > < 웹툰 영상 제작 >

05

중 학 교

학생 결과물 예시

작 품 2

융합인재교육 프로그램 개발 2020 (STEAM)

▎주관연구기관 이화여자대학교_

▎연구기간 _ 2020. 8. 03. - 2020. 12. 18

▎주관연구책임자 이화여자대학교 김효정

▎공동연구진 및 집필위원 연성대학교 심효영 예봉중학교 최경철 예봉중학교 심성희 예봉중학교 김광래 예봉중학교 박소연 예봉중학교 배다슬

▎공동연구진

이화여자대학교 이현주 이화여자대학교 고연주

▎연구 보조원 유진아

본 프로그램은 년도 교육부의 재원으로 한국과학창의재단의 지원을 받아 수행된 성과물임

“ 2020 ”

“This program was supported by Korea Foundation for the Advancement of Science and