팔 다리를 잃은 사람들은 의수나 의족 등 보철 장치의 도움을 받습니다. 하지만 실제처럼 자연스럽게 움직이는 데는 한계가 있기 마련입니다. 스웨덴 룬드대학교 Henrik Jörntell 교수는 "감각 피드백 문제가 해결되지 않는다면 보철 장치는 선반 한구석에서 먼지만 쌓이는 신세를 면치 못할 것"이라고 말한 바 있습니다.
촉각이 관건
장치에 감각을 부여할 경우, 시각에만 의존해 동작을 제어해야 했던 기존 장치에 비해 보다 직관적으로 움직일 수 있게 됩니다. 따라서 보철장치 연구에서 촉각의 구현은 반드시 넘어야할 산 중 하나인데요. 지난 1일 <사이언스>에 게재된 한 논문에 따르면 압력을 감지할 수 있는 인공 촉각 신경이 개발됐다고 합니다.
촉각 신경계는 촉각에 관련된 기계적 자극을 받아들입니다. 접촉, 압력, 늘어남, 움직임 등의 자극을 받아들이면 연결된 감각 뉴런에 활동 전위가 발생합니다. 이 전기적 신호는 척수에 도달해 시냅스를 통해 연합 뉴런까지 전달되는데요. 서울대-스탠포드대 공동 연구팀은 이 원리를 모사하여 인공 촉각 신경을 구현했습니다.
연구에 따르면 인공 촉각 신경은 압력 센서, 유기 링 오실레이터(organic ring oscillator), 유기 시냅스 트랜지스터(synaptic transistor)로 구성됩니다. 압력 센서, 유기 링 오실레이터, 유기 시냅스 트랜지스터는 각각 촉각 수용체, 감각 뉴런, 시냅스를 모사합니다.
인공 촉각 수용체는 압력 정보를 읽어내고 전기 신호로 변환합니다. 이 신호는 인공 뉴런을 거치면서 활동 전위로 바뀌게 됩니다. 활동 전위가 인공 시냅스를 자극하면서 물체의 울퉁불퉁함과 움직임 방향과 관련된 정보가 처리됐습니다.
나아가 연구팀은 바퀴벌레의 운동신경에 인공 촉각 신경을 연결해봅니다. 바퀴벌레 다리에 있는 정강이폄근(tibial extensor muscle)과 인공 촉각 신경을 이어 혼성 반사궁(hybrid reflex arc)를 만들었는데요. 압력 센서에 가하는 힘이 강할수록, 또 그 빈도수가 높을수록, 활성화된 근육 섬유가 많아지고 각각의 근육 섬유가 수축하는 힘이 강해졌습니다. 즉 다양한 압력 감각을 감지하고 반사 움직임을 유발할 수 있었습니다.
이태우 교수는 "이번 연구가 향후 생물체와 호환성이 높은 생체모사 장치 및 신경 보철 등을 개발할 때 새로운 패러다임으로 자리매김할 것"이라며, "압력과 열 등 다양한 복합 감각을 받아들이는 감각 시스템을 개발하여 촉각 신경계를 좀 더 완전하게 모사하고 싶다"고 향후 계획을 밝혔습니다.
