인간 뉴런처럼 촉각 느끼는 모듈 개발...로봇, IoT 활용 가능

KAIST, 스파이크 신경망 방식 저전력 촉각 인식 시스템 구현

마치 사람의 촉각 뉴런처럼 압력을 인식해 전달하는 뉴로모픽 모듈이 나왔다. 물체의 패턴과 질감을 식별하는 기술은 로봇이나 헬스케어, IoT 등의 필수 기술로 주목받고 있다.   

KAIST(총장 이광형)는 최양규 전기및전자공학부 교수 연구팀이 인간의 촉각 뉴런을 모방한 뉴로모픽 모듈을 개발했다고 24일 밝혔다. 

생물의 뉴런은 촉각을 인식할 때 돌기 모양의 파형을 보이는 스파이크 신호로 감각 정보를 전달한다. 이는 에너지를 적게 쓰면서도 물체와 패턴, 질감 등을 판별할 수 있게 한다. 반면, 인공지능 기반 촉각 인식 시스템은 센서에서 받은 정보를 인공지능 신경망으로 식별하기 때문에 전력 소모가 커 모바일이나 IoT 기기에 쓰기 어렵다.  

KAIST의 뉴로모픽 모듈 연구 결과가 실린 학술지 표지 논문

인간의 촉각 뉴런과 같이 압력을 인식해 스파이크 신호를 출력, 뉴로모픽 촉각 인식 시스템을 구현하는 접근법이 주목받는 이유다. 

연구팀은 마찰대전 발전기(TENG)와 바이리스터 소자를 이용, 압력을 인식해 스파이크 신호를 출력하는 뉴로모픽 모듈을 개발했다. 마찰대전을 이용하기 때문에 자가 발전이 가능하고, 3킬로파스칼(kPa) 수준의 낮은 압력도 감지할 수 있다. 이는 손가락으로 사물을 만질 때 피부가 느끼는 압력 정도의 크기다. 

연구팀은 이 뉴로모픽 모듈을 바탕으로 저전력 호흡 모니터링 시스템을 만들었다. 코 주위에 설치된 호흡 모니터링 센서가 들숨과 날숨을 감지한다. 배 주변에 설치되면 복식호흡도 감지할 수 있다. 수면 중 무호흡이 일어날 경우, 이를 감지하고 경보를 보내 심각한 상황으로 진행하는 것을 막을 수 있다.

인간의 촉각 뉴런을 모방한 뉴로모픽 모듈의 개념도 (자료=KAIST)

논문 공동 제1저자인 한준규 박사과정은 "이번에 개발한 뉴로모픽 센서 모듈은 센서 구동에 필요한 에너지를 스스로 생산하는 반영구적 자가 발전형으로 IoT, 로봇, 보철, 인공촉수, 의료기기 등에 유용하게 사용될 것으로 기대된다"며 "'인-센서 컴퓨팅(In-Sensor Computing)' 시대를 앞당기는 발판이 될 것"이라고 밝혔다. 

이번 연구는 국제 학술지 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science)' 2022년 1월 온라인판에 출판됐다. 논문 제목은 Self-powered Artificial Mechanoreceptor based on Triboelectrification for a Neuromorphic Tactile system 이다. 한국연구재단 차세대지능형반도체기술개발사업, 중견연구사업, 미래반도체사업, BK21 사업 및 반도체설계교육센터의 지원을 받아 수행됐다.