생물 감각·신경 모사한 신축성 '인공신경' 개발

서울대 공대 연구팀..."소프트 로봇·치료용 보철 장치 발전에 도움"

서울대 공대는 이태우 재료공학부 교수가 스탠포드 대학 제난 바오 교수와 공동 연구로 생물의 감각과 운동 신경을 모사하는 신축성 인공 신경을 개발했다고 26일 밝혔다.

생물체의 독특한 구조와 기능을 모방하는 생체모사 공학은 인공지능(AI), 로봇공학의 핵심 기술이다. 특히 인체의 감각과 운동 기관을 모사하는 전자 센서와 소프트 로봇, 두뇌와 신경계를 모사하는 뉴로모픽 기술은 휴머노이드 등 인간 친화형 지능형 로봇의 구현을 가능케 한다.

현재까지 이런 생체 모사 센서와 로봇, 뉴로모픽 기술은 주로 각각 독립적으로 연구돼 왔다. 뉴로모픽 기술은 주로 두뇌의 학습과 기억 기능을 모방해 디지털 컴퓨터의 한계를 극복하는 데 집중돼 있다. 반면 감각, 운동 신경계를 모사하는 연구는 아직 연구 초기 단계다.

연구팀은 빛 반응 인공 신경을 이용해 인공 근육을 제어하는 인공 감각, 운동 신경을 구현했다.

생물체의 신경(위)과 인공 신경(아래)의 비교

인공 감각, 운동 신경은 빛 수용체를 모사하는 광 센서와 생체 시냅스를 모사하는 신축성 유기 나노선 인공 시냅스, 생체 근육 섬유를 모사하는 고분자 액추에이터로 구성된다.

인공 시냅스는 인공 빛 수용체로부터 인공 활동 전위를 받아 인공 근육 섬유를 자극한다. 이때 생체 근육의 수축 원리를 모사해 인공 활동 전위의 발화 특성에 따라서 인공 근육 섬유의 수축을 제어한다.

인공 감각, 운동 신경의 사진 및 모식도

또 빛으로 모스 부호를 입력해 간단한 메시지를 전달해 광 무선 통신 기반 사람과 로봇의 새 의사소통 수단을 제시했다.

빛 반응 인공 신경과 모스부호를 이용한 광무선통신

유기 나노선 기반의 신축성 인공 시냅스는 100% 늘어나도 원래의 전기적 성질을 유지한다. 때문에 소프트 로봇과 신경 보철에 적용이 가능하다.

이런 유기 물질은 목적에 따라 화학적으로 분자 구조를 제어해 전기적, 기계적 특성을 조절하기가 용이하다. 차세대 생체모사 장치, 소프트 로봇, 신경 보철의 개발을 앞당길 수 있을 것으로 보인다.

이태우 교수는 “재료, 전자, 화학, 기계, 생체 공학의 융합 연구로 탄생한 이번 연구 성과는 알츠하이머, 파킨슨, 루게릭 등의 질환을 완화하거나 치료용 보철 장치 개발에 새로운 이정표를 제시할 것”이라고 설명했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘사이언스’ 자매지 ‘사이언스 어드밴시스’에 11월23일 자로 게재됐다.