사람의 운동 조절을 모사하는 인공 신경계 시스템 개발
- 사람의 운동 신경계 모사를 통해 인공 시냅스 소자 응용 분야 확장-
- 세계적인 학술지 ‘Science Advances’ 게재 -
연세대학교 조정호 교수(화공생명공학과) 연구팀은 건국대 김세현 교수(화학공학부), 강원대 김주영 교수(신소재공학과)와 공동 연구를 통해 인간의 운동 조절을 모사하는 인공 신경계를 새롭게 개발했다. 본 연구는 인공 시냅스 소자를 통해 인간의 근육 움직임을 모사한 연구로, 인공 시냅스 소자와 인공 신체 기관(의수 등)을 융합하는 미래 헬스케어 및 소프트 로봇 기술의 가능성을 열었다.
인간의 근육 움직임은 상호 억제를 기본 단위로 이뤄진다. 상호 억제란 주동근을 작용할 때 길항근의 활성화를 억제해 이완시키는 기전이다. 예를 들어, 팔을 굽히는 동작을 수행할 때 주동근인 이두근을 수축시킴과 동시에 길항근인 삼두근을 이완시켜 부드럽고 지속적인 움직임을 만들어낼 수 있다. 이러한 근육의 움직임을 모사하는 ‘인공 신경 시스템’은 의수를 비롯한 소프트 로봇 기술의 기초가 될 수 있어 주목받고 있다.
세계 각국의 연구진이 인공 시냅스 소자를 통해 원심성 신경계를 모사하고자 연구를 진행하고 있으나, 대부분 단위 소자에 국한돼 실제 기능을 가지는 시스템의 구축에는 도달하지 못하고 있다. 인공 시냅스 소자는 인간의 생체신호 전달 시스템을 모사한 반도체 소자로서 병렬 및 아날로그 신호 처리가 가능해 입력 신호를 펄스 형태로 받는다는 점에서 생체모사에 유리하다. 특히 에너지 소모와 소자 집적도 측면에서 큰 장점이 있어 차세대 인공지능 반도체로 주목받고 있다.
연세대 조정호 교수팀은 이러한 인공 시냅스 소자를 기반으로 뇌의 중심전회에서 내려오는 신호가 근육을 움직이기까지의 과정을 모사했다. 유·무기 하이브리드 절연체의 열처리 온도에 따라 나타나는 서로 다른 특성을 활용해 만든 인공 시냅스와 로드 트랜지스터를 직렬로 연결해 각각 흥분성 시냅스 회로와 억제성 시냅스 회로를 개발했다. 각각의 회로에서 나오는 흥분성 신호와 억제성 신호를 근육을 모방한 소프트 액추에이터에 연결해 근육 움직임을 보여주는 시스템을 개발했다.
제작된 시스템은 입력 신호를 펄스 형태로 받는다는 점에서 인간의 운동 조절과 유사하다. 특히, 입력 펄스의 세기와 부호, 그리고 빈도 등을 조절함에 따라 소프트 액추에이터 움직임의 범위, 방향, 속도 등을 세밀하게 제어하는 것이 가능하다. 같은 기능을 하는 제어 시스템을 기존의 CMOS 기반 반도체 소자를 통해 구현하려면 수많은 트랜지스터와 회로 구성 요소가 필요하므로, 에너지 소모와 소자 집적도 측면에서 유리하기에 차세대 인공 생체 기관으로의 활용에 이점이 있다.
나아가 주동근과 길항근을 따로 조절하는 것이 아닌 하나의 입력 신호로 동시에 조절할 수 있는 특성을 통해 더욱 간단한 회로를 제작할 수 있으므로 향후 더 복잡한 생체모사 연구의 기반이 되는 기술이다.
연세대 조정호 교수는 “본 연구는 인공 시냅스 소자를 논리 회로로 제작해 기능을 부여한 최초의 연구로, 전자소자를 이용한 생체모사 연구가 단위 소자의 영역에서 벗어나 인간의 신경 시스템을 모사하는 방향으로의 발전 방향을 제시한 것”이라고 의의를 밝혔다.
본 연구는 과학기술정보통신부 주관 미래소재디스커버리사업, 범부처 전주기 의료기기 연구개발사업, 산업통상자원부 주관 소재부품기술개발사업의 지원으로 조정호 교수(연세대 화공생명공학과), 김세현 교수(건국대 화학공학부), 김주영 교수(강원대 신소재공학과), 조정호 교수 연구팀의 김선권(공동 제1저자), 김성찬(공동 제1저자)이 함께 진행했으며, 세계적인 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 9월 28일(현지시간) 게재됐다.
논문의 주요 내용
□ 논문명, 저자 정보
- 논문명: Neurorobotic approaches to emulate human motor control with the integration of artificial synapse, (Science Advances) (2022년 9월 발간, 2021년 IF = 14.136)
- 주요 저자 정보: 조정호(교신저자, 연세대 화공생명공학과), 김세현(교신저자, 건국대 화학공학부), 김주영(교신저자, 강원대 신소재공학과), 김선권(공동 제1저자, 연세대 화공생명공학과), 김성찬(공동 제1저자, 성균관대 나노과학기술학과) 외 6명의 공동저자
□ 논문의 주요 내용
1. 연구의 필요성
○ 인공 시냅스 소자 기반 운동 신경계를 모사한 인공 신경 시스템에 관한 연구는 사람의 신호전달 시스템을 모사한다는 점에서, 많은 연구진의 주목을 받고 있다. 하지만 현재까지의 연구는 인공 시냅스 단위 소자에만 초점을 맞춰 단순한 자극 전달을 모사하는 수준으로, 실제 인공 시냅스를 활용해 실생활을 윤택하게 하기 위한 연구가 부족하다.
2. 연구 성과
○ 인간의 상호 억제와 같은 자극 전달 경로의 중요 요소 모사
○ 유·무기 하이브리드 절연체를 도입한 새로운 구조의 인공 시냅스 소자 제작
○ 인간의 근육을 모사한 소프트 액추에이터를 펄스 입력 신호를 통해 세밀하게 제어
○ 인공 시냅스 소자를 논리 회로에 통합해 기능성을 부여한 시스템 개발
3. 파급 효과
○ 인공 시냅스를 활용해 운동뉴런을 모사한 단위 소자의 연구에서, 운동 조절을 모사한 시스템으로의 연구 범위 확장
○ 인공 시냅스를 활용한 의수를 비롯한 소프트 로봇 연구의 방향 제시
생명과학 연세대학교 (2022-09-29)