[논문 리뷰] The Thing With E.coli: Highlighting Opportunities and Challenges of Integrating Bacteria in IoT and HCI

Raphael Kim, Stefan Poslad|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 17.

Molecular Communication and Nanonetworks참고 문헌 16인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 생물-나노 사물 인터넷(Internet of Bio-Nano Things, IoBNT)에서 *E. coli* 박테리아를 살아있는 '사물'으로 통합하는 것을 제안하며, 전통적인 IoT 기기와 박테리아 행동 간의 유사성을 도출하여 HCI 분야에서 인간-박테리아 상호작용(Human-Bacteria Interaction, HBI)의 새로운 가능성을 탐색한다. DIY 생물학과 게임화 기법을 통해 실험 접근성을 낮추고자 하며, 의료 및 환경 모니터링 분야에서의 전환적 기회와 함께, 접근 가능한 생물-IoT 연구 도구에 대한 핵심 기반 인프라의 부족함을 강조한다.

ABSTRACT

With advances in nano- and biotechnology, bacteria are receiving increasing attention in scientific research as a potential substrate for Internet of Bio-Nano Things (IoBNT), which involve networking and communication through nanoscale and biological entities. Harnessing the special features of bacteria, including an ability to become autonomous - helped by an embedded, natural propeller motor - the microbes show promising array of application in healthcare and environmental health. In this paper, we briefly outline significant features of bacteria that allow analogies between them and traditional computerized IoT device to be made. We argue that such comparisons are critical in terms of helping researchers to explore human-bacteria interaction in the context of IoT and HCI. Furthermore, we highlight the current lack of tangible infrastructure for researchers in IoT and HCI to access and experiment with bacteria. As a potential solution, we propose to utilize the DIY biology movement and gamification techniques to leverage user engagement and introduction to bacteria.

연구 동기 및 목표

• 생물-나노 사물 인터넷(Internet of Bio-Nano Things, IoBNT)에서 박테리아, 특히 *E. coli*를 살아있는 구성 요소로 사용할 잠재력을 탐색하는 것.
• IoT 및 HCI 분야의 연구자들이 생물학적 실체를 실험할 수 있도록 지원하는 실질적이고 접근 가능한 인프라의 부족을 특정하고 이를 해결하는 것.
• 박테리아 시스템과 전통적인 IoT 기기 간의 유사성을 도출하여 인간-박테리아 상호작용(Human-Bacteria Interaction, HBI)의 새로운 모델을 제안하는 것.
• DIY 생물학 운동과 게임화 기법을 통해 합성생물학 분야에서의 사용자 참여 및 교육을 촉진하는 것.
• IoT 및 HCI 연구에 살아있는 생물체를 통합함에 있어 전환적 기회와 체계적 과제를 부각하는 것.

제안 방법

• 박테리아의 이동성과 IoT 기기의 연결성 간의 유사성을 도출하며, *E. coli*를 자율적 행동을 보이는 '스마트' 생물학적 센서로 간주하는 것.
• DIY 생물학 랩과 오픈소스 생물도구의 사용을 제안하여 박테리아 실험에 대한 접근성을 민주화하는 것.
• 비전문가 연구자 및 학생들의 진입 장벽을 낮추고 사용자 참여를 증가시키기 위해 게임화 전략을 적용하는 것.
• *E. coli*를 합성생물학 분야에서 잘 알려진 유전자, 편모 모터를 통한 이동성, 그리고 확립된 실험 프rotocols를 바탕으로 모델 생물로 사용하는 것.
• 기존의 사물 인터넷 기기와 유사하게 생물학적 시스템을 IoBNT 철학에서 '사물'으로 재정의하는 것.
• 기존의 CHI 워크숍 프레임워크를 활용하여 제안된 HBI 상호작용을 제안하고 제한된 참가자 중심의 환경에서 평가하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 *E. coli*는 전통적인 IoT 기기와 유사하게 생물-나노 사물 인터넷(IoBNT)에서 '사물'으로 어떻게 개념화될 수 있는가?
• RQ2 IoBNT 프레임워크 내에서 인간-박테리아 상호작용(HBI)을 실현함에 있어 핵심적인 기술적 및 윤리적 과제는 무엇인가?
• RQ3 DIY 생물학과 게임화 기법은 IoT 및 HCI 분야의 연구자들이 살아있는 생물체를 실험할 수 있도록 진입 장벽을 어떻게 낮출 수 있는가?
• RQ4 생물-IoT 및 HBI 분야에서 확장 가능하고 접근 가능한 연구를 지원하기 위해 현재 누락된 인프라와 도구는 무엇인가?
• RQ5 사람 중심의 시스템에서 박테리아를 능동적이고 네트워크화된 실체로 간주할 경우, 어떤 새로운 상호작용 패러다임이 도출되는가?

주요 결과

• 논문은 *E. coli*가 편모 모터를 통한 자율적 이동성과 환경에 대한 민감성 등의 내재적 특성을 지니고 있어 생물-나노 네트워크 내에서 기존 IoT 기기의 타당한 유사체가 될 수 있음을 규명한다.
• IoBNT에 대한 관심이 증가하고 있음에도 불구하고, IoT 및 HCI 분야의 연구자들이 살아있는 생물학적 시스템을 실험할 수 있도록 지원하는 실질적이고 접근 가능한 인프라의 부족이 심각한 격차로 존재한다.
• DIY 생물학 운동은 높은 비용의 전문 실험실에 의존하지 않고도 박테리아 실험에 접근할 수 있는 실질적인 길을 제공한다.
• 게임화 기법은 합성생물학 및 HBI 분야에서의 사용자 참여를 향상시키고, 비전문가 대상 교육을 촉진하는 데 효과적일 수 있다.
• IoT 및 HCI 연구에 생물체를 통합하기 위해서는 생물학적 변동성, 생장 주기, 윤리적 고려사항을 반영한 새로운 설계 원칙이 필요하다.
• 저자들은 박테리아를 IoBNT 생태계 내의 '사물'으로 재고함으로써 의료, 환경 모니터링, 인간 중심의 생물 시스템 분야에서 새로운 연구 방향을 열 수 있다고 결론 내린다.