성균관대학교 신소재공학부 이내응 교수 연구팀이 유연성 강유전체 나노복합체를 적용해 인체 감각기관의 유사 시냅스 기능과 구조를 모방해 지능성이 내재된 유연성 인공 촉각기를 개발했습니다. 해당 연구는 <Nature Communications>에 게재됐습니다.
인체의 뇌 모방한 시냅스 소자와 감각기관 모방한 센서
최근 기계학습 및 인공지능이 핵심 산업기술 분야로 대두되면서 인체의 뇌를 모방한 시냅스 소자와 감각 기관을 모방한 센서를 개발하는 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 그러나 시냅스를 포함하는 정보처리 프로세서와 정보를 입력하는 센서를 독립적으로 개발하고 있어 근본적인 센서 신호처리 데이터의 병목현상을 해결하는 데 어려움이 있습니다.
이에 연구진은 인체 촉각 감각기관의 메르켈 감각 수용체와 감각뉴런 말단 사이의 유사 시냅스 연결 구조를 모방해 이 문제를 해결하고자 했습니다. 또한 인체 감각인지 과정에서 뇌뿐만 아니라 감각기관 또한 자체적으로 1차 정보 처리를 하고 유사 시냅스 기능을 통해 고차원의 정보 처리를 하는 것에 주목했습니다.
연구진은 나노입자-폴리머 복합 강유전체 기반의 트랜지스터 구조를 이용해 유사 시냅스 구조를 구현하고 동시에 동일 소자의 감지부에 손가락 끝을 터치할 때 발생되는 마찰전기를 이용해 인공촉각기를 구동했습니다. 나아가 인공 촉각기 어레이를 제작하고 터치의 세기, 속도, 시간에 따라 터치 후 기록되는 트랜지스터 전류, 즉 시냅스 가중치가 달라지는 원리를 이용해 터치 자극에 대한 적응성 및 필터링 기능을 구현했습니다.
터치의 횟수 및 순서 등을 예측함으로써 소자 자체에 인체 감각 기관의 감각 기억과 유사한 메모리 기능이 구현될 수 있음도 증명했습니다. 이밖에도 인공 촉각기 자체에서 1차적인 신호 전처리가 가능한 것은 물론 소자가 유연성을 갖도록 개발함으로써 구부려도 안정적으로 구동됐습니다.
본 연구는 센서 자체에서의 신호 전처리를 통해 프로세서에 부과되는 데이터 부하를 획기적으로 줄일 수 있어 차세대 뉴로모픽 감각인지 시스템, 지능형 전자피부, 엣지 인공지능(edge-AI) 등 관련 연구에 새로운 패러다임을 제공할 수 있을 것으로 보입니다.
또한 인체의 감각 기관을 모방하는 연구에서 구조적 모방뿐만 아니라 기능성 및 지능성을 구현하는 방법론을 제시해 향후 뉴로모픽 감각인지 시스템의 고차원적인 정보 처리에 대한 연구의 방향을 제시할 것으로 기대를 모으고 있습니다.
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