인공감각 신경 개발...생물처럼 움직이는 로봇 개발 토대 마련

이태우 서울대 공대 재료공학부 교수와 제난 바오 스탠포드 대학교 교수 공동 연구팀이 플렉서블한 유기 소자를 이용해 생물의 촉각 신경을 모사하는 인공 감각 신경을 개발했다고 1일 밝혔다.

 이 교수팀은 개발한 신경을 이용해 움직이지 않았던 곤충의 다리를 제어하고, 시각 장애인용 점자 정보를 처리하는 데도 성공했다. 본 연구 성과는 세계 최고 수준의 국제학술지 '사이언스(Science)'에 이날 게재됐다.

 기존의 디지털 컴퓨터는 복잡한 실생활 문제(시각 정보 처리, 음성 처리, 촉각 처리, 로봇 움직임 제어)를 해결하는데 한계가 있었다. 반면, 생물학적 신경계는 이러한 실생활 문제를 효율적으로 해결할 수 있다.

 이에 영감을 받은 과학자와 공학자들은 뉴로모픽(neuromorphic) 컴퓨터, 생체 모사 센서, 로봇 제어, 보철기관에 대해 주로 분리해서 연구해왔다. 

 그러나 이들의 연구 방식은 전통적인 디지털 컴퓨터에서 소프트웨어로 구현하거나 기존 실리콘 소자를 이용해 회로를 구현한 후 생체 모사를 하기 때문에 전력 소모나 비용, 특성 조절 등에서 한계를 보였다. 

 또 각각의 인공 감각 기관에서 시그널을 받아 전송하고 가공할 수 있는 인공 신경에 대한 연구의 필요성이 대두되고 있었다.

 이에 연구팀은 플렉서블한 유기 소자를 이용해 생물학적 촉각 신경의 동작 원리를 모사하는 인공 촉각 신경을 구현했다. 

 인공 촉각 신경은 생체 피부 촉각 수용체를 흉내내는 압력 센서, 생체 뉴론을 흉내내는 유기 링오실레이터, 생체 시냅스를 흉내내는 유기 시냅스 트렌지스터로 구성돼 있다. 

 인공 촉각 수용체로부터 받은 압력 정보는 인공 뉴론을 거치며 활동 전위로 바뀌게 되고, 여러 활동 전위들이 모여 인공 시냅스를 자극하게 돼 물체의 울퉁불퉁함, 물체 움직임 방향, 시각 장애인용 점자 정보를 처리했다. 

 나아가 움직이지 못하는 곤충의 다리에 있는 생물학적 운동 신경과 인공 촉각 신경을 연결해 움직임을 제어했다.

 생체 신경의 기능이나 신호처리 방식을 직접적으로 모사할 수 있는 유기 소자를 이용하면 생체 신경 모사 시스템의 설계를 간단하게 하거나 전력 소모를 줄일 수 있다. 

 또 유기 소자는 화학적으로 특성을 조절하기 용이하고, 인쇄 공정과 호환이 가능해 대면적 시스템을 저가에 만들 수 있다. 플렉서블한 특성 덕분에 생물체처럼 유연하게 만들 수 있다는 장점을 가진다.

 이태우 교수는 "향후 생물체와 같이 행동하는 로봇을 개발하거나 생물체와 호환성이 높은 생체모사 장치 및 신경 보철 등을 개발하는 등 생체 모사 및 뉴로모픽 전자 소자 기술의 새로운 패러다임으로 자리매김할 것으로 기대된다"며 "사람 같이 행동하는 로봇, 신경 일부분에 장애가 있는 사람들을 위한 보철장치 개발 등에 새로운 이정표를 제시할 것"이라고 말했다.

포인트경제 박주현 기자