통증과 온도 느끼는 휴머노이드 로봇 나올까

KAIST, 뉴로모픽 통각수용체 소자 구현

통증을 느끼는 휴머노이드 로봇이 나올 수 있을까? 통증은 생물이 유해한 자극을 감지해 위험한 상황을 회피하게 하는 역할을 한다.

KAIST(총장 이광형)는 신소재공학과 김경민 교수 연구팀이 통증자극 민감도를 조절할 수 있는 뉴로모픽 통각수용체 소자를 구현했다고 15일 밝혔다.

통각수용체는 자극이 일정한 수위를 넘어서면 통증 신호를 일으켜 인체가 자극을 회피하게 한다. 통증 신호를 전달하는 흥분성 신경전달물질과 외부 자극에 대한 임계치를 조정하는 억제성 신경전달물질이 서로 작용하며 자극에 과도하게 민감하거나 둔감하게 반응하지 않도록 균형을 맞춘다.

이같은 감각신경계의 동작을 모사하는 전자 소자를 개발함에 있어, 흥분성 신경전달물질의 특성은 비교적 쉽게 구현할 수 있었으나 억제성 신경전달물질에 의한 임계치 조절 특성은 구현하기 어려웠다.

조절 가능한 (a) 통증 전달 특성 (b) 통증 완화 특성 (c) 통증 민감화 (이질통, 통각 과민) 특성 (자료=KAIST)

연구팀은 멤리스터 소자를 활용해 통각수용체 소자를 만들었다. 멤리스터는 '메모리(memory)'와 '저항(resistor)'의 합성어로, 전류의 흐름에 따라 저항이 변화하는 소자다. 개발한 소자는 이중 전하 전자층 구조를 갖는다. 서로 다른 전하 저장층이 각각 전도성을 조절해 흥분성 및 억제성 신경전달물질 역할을 맡는다.

이를 통해 통각수용체의 필수 기능인 통증 전달 특성, 통증 완화, 통증 민감화 등의 특성을 조절했다. 신경계의 동작 원리를 모방, 신경계의 복잡한 기능을  단순한 구조의 전자 소자로 구현하는 방법을 제시했다고 연구진은 설명했다.

이 소자는 온도 자극에 반응하는 온도수용체 특성도 보였다. 특히 억제성 상태를 제어해 단일 소자가 고온 범위와 저온 범위를 모두 감지할 수 있는 가변적 온도수용체 특성을 구현할 수 있었다. 이러한 통각 및 온도수용체 소자는 휴머노이드 피부에 적용, 인간과 같은 방식으로 자극을 감지하는 센서로 활용될 수 있다.

김경민 교수는 "이처럼 임계치를 조절할 수 있는 특성은 감각신경계 모사뿐 아니라 임계 스위칭 특성을 활용하는 보안 소자나 차세대 컴퓨팅 소자에도 활용될 수 있을 것"이라고 기대했다.

이번 연구는 이번 연구는 한국연구재단, 나노종합기술원, KAIST, SK하이닉스의 지원을 받아 수행됐으며, 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)'에 최근 실렸다. 논문 제목은 Threshold Modulative Artificial GABAergic Nociceptor 이다.