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서울대 이태우 교수팀, 생물의 촉각 신경을 모사하는 인공 신경 개발

작성자 : 관리자|등록일 : 18.06.01|조회수 : 167번 읽음

서울대 이태우 교수팀,
생물의 촉각 신경을 모사하는 인공 신경 개발
 
- 뉴로모픽 전자 소자, 소프트 로봇의 감각 시스템 및 신경 보철에 활용 가능
- 세계 최고 수준의 국제학술지 ‘사이언스(Science)’에 게재


이태우 서울대 재료공학부 교수
 
서울대 공대(학장 차국헌)는 재료공학부 이태우 교수와 스탠포드 대학교 제난 바오 교수 공동 연구팀이 플렉서블한 유기 소자를 이용하여 생물의 촉각 신경을 모사하는 인공 감각 신경을 개발했다고 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 6월 1일자로 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. 또한 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 구성되어 있다. 인공 촉각 수용체로부터 받은 압력 정보는 인공 뉴론을 거치며 활동 전위로 바뀌게 되고, 여러 활동 전위들이 모여 인공 시냅스를 자극하게 되어 물체의 울퉁불퉁함, 물체 움직임 방향, 시각 장애인용 점자 정보를 처리했다. 나아가 움직이지 못하는 곤충의 다리에 있는 생물학적 운동 신경과 인공 촉각 신경을 연결하여 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 가능하여 대면적 시스템을 저가에 만들 수 있으며, 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 연구의 의의를 설명했다.
 
한편, 해당 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원사업, 글로벌 프론티어 소프트일렉트로닉스 연구단, 서울대학교 창의선도 신진 연구자 지원사업의 지원으로 수행됐다.

 

그림1. 생물체의 촉각 신경과 인공 촉각 신경의 비교
(A) 생물체의 촉각 신경이 압력에 자극되는 과정을 설명한 그림이다. 압력에 자극을 받은 촉각 수용체(mechanoreceptor)가 연결된 감각 뉴런에 신호를 전달한다. 감각 뉴런은 척수에 도달하여 시냅스를 통해 연합 뉴런에 신호를 전달한다.
(B) 압력 센서, 유기 링오실레이터, 유기 시냅스 트랜지스터를 이용하여 인공 촉각 신경을 구성하였다. 압력 센서, 유기 링오실레이터, 유기 시냅스 트랜지스터는 각각 촉각 수용체, 감각 뉴런, 시냅스를 모사한다. 인공 촉각 신경의 신호 처리 방식은 생물체의 촉각 신경이 신호를 처리하는 방식과 유사하게 설계되었다.
(C) 인공 촉각 신경의 실제 사진
 

그림2. 인공 촉각 신경을 이용하여 시각 장애인용 점자 읽기
(J) 2×3픽셀로 이루어진 압력 센서 배열과 여러 개의 유기 링오실레이터와 여러개의 유기 시냅스 트랜지스터를 이용하여 인공 촉각 신경을 구성하였다.
(K) 시각 장애인용 점자, 알파벳 “E”가 입력됐을 때 인공 촉각 신경의 출력
(L) 유기 시냅스 트랜지스터는 시각 장애인용 점자 판독의 효율을 높인다.
 


3. 논문명 및 저자
- 논문명: A bioinspired flexible organic artificial afferent nerve
 
- 저  자: 이태우 교수(교신저자, 서울대), 제난 바오 교수(교신저자, 스탠포드), 김영인
         (공동제1저자, 스탠포드), 알렉스 초토스 박사 (공동제1저자, 스탠포드), 웬타오 수
         박사(공동제1저자 겸 교신저자, 서울대), 유신 루(스탠포드), 오진영 박사(스탠포드),
         손동희 박사(스탠포드), 강지형 박사(스탠포드), 아미르 포우데 박사(스탠포드), 첸신 주
         박사(스탠포드), 이영준 박사(서울대), 시미아오 누 박사(스탠포드), 지아 루 박사
         (스탠포드), 라파엘 펫너 박사(스탠포드)
 
4. 연구 이야기
- 연구를 시작한 계기와 배경
생물체의 촉각 신경계는 촉각 수용체, 뉴런, 시냅스로 이루어져서 복잡한 촉각 정보를 처리한다. 이전에 유기 시냅스 소자 연구를 진행하면서 신체의 다양한 감각 기관에 연결된 신경계를 모사하고자 하는 생각을 품게 되었다. 그러다가 촉각 수용체 연구를 진행한 경험이 있던 스탠포드 대학교의 제난 바오 교수에 협력을 제의하며 연구를 공동으로 진행하게 되었다.
 
- 연구 전개 과정
생물체의 촉각 신경계에 대한 분석을 계속하며 이에 적합한 촉각 수용체, 뉴런, 시냅스에 해당되는 소자를 플렉서블 기판 위에 제조하고, 각각의 소자를 어떻게 연결하여 인공 시스템을 구성할지 연구원들과 계속 토의하며 연구를 진행하였다.
 
- 연구 중 난제와 장애 요소, 극복 과정
연구원들이 화학, 재료공학, 전자공학에는 배경지식이 있었지만 생물학에는 배경지식이 부족하여 생물학 관련 자료를 찾아보며 연구를 진행하였다. 생소하지만 새로운 분야를 접하면서 영감을 얻고 연구를 진행하는 과정이 대단히 흥미로웠다.
 
- 이번 성과가 다른 연구와 다른 점
지금까지의 생체 모사 연구는 기존의 디지털 컴퓨터에서 소프트웨어적으로 구현하거나, 기존의 실리콘 소자를 이용하여 복잡한 회로를 구현하여 특정 기능 에 대해서만 생체 모사를 하는 방식이었다. 이와는 다르게 실체로 인체에서 일어나는 감각, 인지, 운동 기능을 모두 연결하여 생체 신경을 기능적, 신호처리 방식적으로 모사하는 유기 소자를 이용하면, 생체 신경 모사 시스템의 설계를 간단하게 하거나, 전력 소모를 줄일 수 있게 한다. 또한 유기 소자는 화학적으로 특성을 조절하기 용이하고, 인쇄 공정과 호환이 가능하여 대면적 시스템을 저가에 만들 수 있고, 플렉서블한 특성 덕분에 생물체처럼 부드럽게 만들 수 있다. 그리고 복잡한 생물학적 신경계는 최근에서야 그 동작 원리가 조금씩 밝혀지기 시작하였는데, 새롭게 밝혀진 생물학적 연구 결과를 이용하여 우리 인공 신경 시스템을 디자인하였다.
 
 - 목표와 향후 계획
촉각에 관련된 인공 신경을 비교적 간단한 수준에서 구현했다. 촉각에서 압력과 열 등 다양한 복합 감각을 받아들이는 감각 시스템을 개발하여 좀 더 완전한 신경계를 모사하거나 촉각이 아닌 다른 감각에 관련된 연구도 진행하고 싶다.
 
- 특별한 에피소드
생체 모사 인공 시스템 자체가 여러 학문 분야의 지식을 요구했다. 그래서 다른 학자 분들에게 연구 결과를 설명하는 과정도 쉬운 것은 아니었다. 그래도 그 설명을 하는 과정에서 우리도 좀 더 우리 생각을 이해하기 쉽고 분명하게 다듬을 수 있었다.
 
5. 용어설명
- 사이언스(Science): 사이언스(Science)는 과학 분야 최상위 학술지 중 하나로서 학술지표 평가 기관인 Thomson JCR 기준 영향지수 (impact factor 37.205)를 가지고 있다.
 
- 신경계(nervous system): 동물의 몸 안팎에서 일어나는 여러가지 정보를 받아들이고, 이를 종합, 분석하여, 동물의 수많은 세포의 활동을 조절, 통제하여 반응을 생성하는 기관이다. 신경계는 크게 중추 신경계와 말초 신경계로 구분할 수 있다. 척추 동물에서 중추 신경계는 뇌와 척수에 해당한다. 말초 신경계는 온 몸을 중추 신경계에 연결하며 감각 신경과 운동 신경으로 구성되어 있다.
 
- 촉각 수용체(mechanoreceptor): 감각 수용체의 한 종류로서 촉각에 관련된 기계적 자극을 받아 들인다. 촉각 수용체는 감각 뉴런의 말단에 위치하고, 접촉, 압력, 늘어남, 움직임 등의 자극을 받아들이면 연결된 감각 뉴런에 활동 전위를 일으켜 정보를 전달한다.
 
- 뉴런(neuron): 신경계를 구성하는 신경세포로, 신경계의 구조적, 기능적인 기본 단위이다. 뉴런의 종류에는 감각 뉴런, 연합 뉴런, 운동 뉴런이 있다. 감각 뉴런은 감각 신경을 구성하고, 감각 수용체에서 받은 자극을 연합 뉴런으로 전달한다. 연합 뉴런은 중추 신경계를 구성하고, 전달된 자극을 종합, 판단하여 적절한 명령을 내린다. 운동 뉴런은 운동 신경을 구성하고, 연합 뉴런의 명령을 운동 기관으로 전달한다.
 
- 시냅스(synapse): 두 뉴런 사이의 신호를 전달하는 연결지점이다. 신경계는 수많은 뉴런과 시냅스의 네트워크로 구성되어 정보를 처리한다. 시냅스는 신경계의 기억과 관련된 기능을 수행하며 신경계의 정보 처리에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다.
 
- 유기 소자(organic device): 유기물 반도체를 이용한 전자 소자를 말한다. 플라스틱은 유기물의 한 종류이다. 유기물은 전통적으로 전기를 통하지 않는 절연체였으나 근래 연구를 통해 반도체적 특성을 지니는 유기물을 많이 발견하였다. 유기물 반도체는 화학적으로 특성을 조절하기 용이하고, 용액 공정을 이용해 인쇄가 가능하여 대면적 시스템을 저가에 만들 수 있고, 플렉서블한 특성 덕분에 생물체처럼 부드럽게 만들 수 있다.
 
- 플렉서블(flexible): 잘 구부러지고 유연한 특성을 말한다.
 
- 보철 장치(prosthesis): 사고, 질병, 유전적으로 결여된 신체의 일부분을 대체하여 결여된 기능을 수행하는 인공 장치. 예로서, 의수, 의족, 의안 등이 보철 장치에 해당한다.
 
- 뉴로모픽(neuromorphic): 사람의 신경계를 모방한 반도체 장치를 말한다.
 
- 압력 센서(pressure sensor): 압력을 읽어들여 전기 신호로 변환하는 센서를 말한다. 인공 촉각 신경에서 생물체의 촉각 수용체의 역할을 수행한다.
 
- 유기 링오실레이터(organic ring oscillator): 유기 소자를 이용하여 링오실레이터 회로를 만든 것을 말한다. 링오실레이터 회로는 생물체의 뉴런처럼 교류 펄스 전기 신호를 만드는 역할을 한다.
 
- 유기 시냅스 트랜지스터(synaptic transistor): 생물체의 시냅스를 모사하여 만든 유기물 트랜지스터 소자이다. 여러 유기 링오실레이터로부터 신호를 합치는 역할을 한다.
 

 
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