스마트 식품 생산시스템 상용화 기반 제시

전남대학교 연구팀이 인공지능(AI)을 접목해 3D 식품 프린팅의 품질 불안정 문제를 해결하는 자율 공정제어 기술을 개발하며, 출력 중심 기술에 머물렀던 3DFP를 ‘지능형 제조 플랫폼’으로 진화시키는 전환점을 마련했다.

실시간 공정 모니터링과 강화학습 기반 제어를 결합한 이번 연구는 차세대 스마트 식품 생산 시스템 구현의 기술적 기반을 제시했다는 평가를 받고 있다.

20일 전남대학교에 따르면, 대학원생들이 기존 3D 식품 프린팅(3DFP: 3D Food Printing)의 한계를 넘어 공정 지능화를 구현하는 데 성공했다.

강화학습(RL: Reinforcement Learning) 기반 제어와 시맨틱 분할(Semantic Segmentation) 등 인공지능(AI) 기술을 융합한 지능형 3DFP 연구성과가 저명 국제학술지에 연이어 게재되고, 주요 국제학술대회에서도 수상 성과를 거두며 학계의 주목을 받고 있다.

이번 연구에는 설재휘 박사과정생, 주은지 석사과정생(지도교수 손형일·융합바이오시스템기계공학과), 김솔 석사과정생, 김지회 학·석사연계과정생(지도교수 김수정·식품공학과)이 참여했으며, 연구 기획부터 실험 설계, 데이터 분석, 논문 작성에 이르기까지 전 과정에 학생들이 주도적으로 참여했다.

3D 식품 프린팅 기술은 개인 맞춤형 영양 관리, 식품 공급망 혁신, 지속가능 식량 생산을 가능하게 하는 차세대 식품 산업 핵심 기술로 주목받고 있다.

그러나 재료 특성과 환경 편차, 공정 불확실성 등으로 인해 생산 품질이 불안정해 상용화에는 한계가 있어, 이를 극복하기 위한 공정 모니터링 및 제어 기술 개발 필요성이 지속적으로 제기돼 왔다.

연구팀은 이러한 한계를 해결하기 위해 3DFP 공정에 시맨틱 분할 기반 영상 분석 기술을 적용해 재료 특성과 공정 품질을 실시간으로 평가하고, 이를 강화학습 기반 공정 제어로 확장함으로써 식품 생산 품질을 안정화할 수 있는 가능성을 제시했다.

설재휘 박사과정생은 3DFP의 핵심 요소인 식품 잉크 소재, 제조 공정, 센싱·제어 기술을 중심으로 기존 연구를 체계적으로 분석하고, 고품질 출력물 생산을 위한 공정 전략과 지능형 3DFP 시스템 발전 방향을 제시했다.

해당 연구는 식품과학 분야 국제학술지 Current Opinion in Food Science (IF 9.1, JCR 상위 4.7%)에 게재됐다.

김솔 석사과정생은 3DFP 공정에서 식품 재료의 생산 적합성을 비파괴적으로 평가하기 위한 컴퓨터 비전 기반 방법을 제안했다.

디지털 이미지 기반 텍스처 분석과 머신러닝 모델을 활용해 생산 적합성을 예측함으로써 재료 평가의 신속성과 자동화 가능성을 입증했으며, 연구 결과는 Journal of Food Engineering (IF 5.8, JCR 상위 18.5%)에 게재됐다.

주은지 석사과정생은 3DFP 과정에서 발생하는 불량과 결함을 실시간으로 감지하는 시맨틱 분할 기반 모니터링 시스템을 개발했다.

해당 시스템은 결함 유형과 위치를 실시간 검출하고 이를 강화학습 기반 제어 시스템에 피드백함으로써 생산 품질 안정성을 향상시키는 기술적 기반을 제시했으며, 연구 성과는 동일 학술지에 게재됐다.

이와 함께 김솔 석사과정생은 연구 성과를 식물성 대체육 3DFP 생산으로 확장해 식품과학회, 식품영양과학회, 산업식품공학회 학술대회에서 최우수상 등 다수의 수상 성과를 거뒀다.

김지회 학·석사연계과정생은 감자에 축적되는 글리코알칼로이드 수준을 AI로 예측하는 식품 안전성 평가 연구로 식품저장유통학회 캡스톤디자인 경진대회에서 수상했다.

AI-푸드테크 융합연구팀은 전남대 김웅희 교수팀과 협력해 연구 성과의 산업 적용을 추진하고 있다.

세계김치연구소가 주관하는 ‘글로벌 표준 김치팩토리 전략 연구사업’에 참여해 향후 5년간 공동 연구를 수행할 계획이다.

해당 사업에서 연구팀은 ▲AI 기반 비파괴 원료 품질 검사 ▲디지털 트윈 기반 공정 최적화 ▲휴머노이드 로봇의 김치 제조 공정 적용 등 차세대 스마트 김치 제조 기술 개발을 목표로 세부 연구를 진행하고 있다.

연구를 수행한 학생들은 AI-푸드테크 융합 연구 경험을 바탕으로 향후 스마트 식품공정 및 푸드테크 산업을 이끌 핵심 연구 인력으로 성장할 것으로 기대된다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구지원사업, 첨단분야혁신융합대학(그린바이오), BK21 4단계 IT-Bio융합시스템농업교육연구단, 융합식품바이오공학 미래인재교육연구단, 농림축산식품부 농식품과학기술융합형연구인력양성사업 등의 지원으로 수행됐다.