서울대 재료공학부 이태우 교수가 스탠포드대학 제난 바오 교수와 공동 연구로 생물의 감각·운동 신경을 모사하는 신축성 인공 신경을 개발했다고 26일 밝혔다. 이번 연구로 차세대 생체모사 장치와 소프트 로봇, 신경 보철의 개발을 앞당길 수 있게 됐다.

생물체의 독특한 구조 및 기능을 모방하는 생체모사 공학은 4차 산업혁명의 인공지능과 로봇공학의 핵심 기술이다. 특히 인체의 감각 및 운동기관을 모사하는 전자센서와 소프트 로봇, 두뇌와 신경계를 모사하는 뉴로모픽(neuromorphic) 기술은 휴머노이드와 같은 인간 친화형 지능형 로봇의 구현을 가능하게 한다.

현재까지 이러한 생체 모사 센서와 로봇, 뉴로모픽 기술은 주로 각각 독립적으로 연구해 왔다. 뉴로모픽 기술은 주로 두뇌의 학습 및 기억 기능을 모방해 디지털 컴퓨터의 한계를 극복하는 데 집중되어 있는 반면, 감각·운동 신경계를 모사하는 연구는 아직 연구의 초기단계에 있는 실정이다.

이에 연구팀은 빛 반응 인공 신경을 이용해 인공 근육을 제어하는 인공 감각·운동 신경을 구현했다. 인공 감각·운동 신경은 빛 수용체를 모사하는 광센서와 생체 시냅스를 모사하는 신축성 유기 나노선 인공 시냅스, 생체 근육 섬유를 모사하는 고분자 액추에이터로 구성돼 있다.

▲ 생물체의 신경(위)과 인공 신경(아래)의 비교

인공 시냅스는 인공 빛 수용체로부터 인공 활동 전위를 받아 인공 근육 섬유를 자극한다. 이때 생체 근육의 수축 원리를 모사해 인공 활동 전위의 발화 특성에 따라서 인공 근육 섬유의 수축을 제어한다. 또한 빛으로 모스부호를 입력해 간단한 메시지를 전달함으로써 광무선 통신을 이용한 사람과 로봇의 새로운 의사소통 수단을 제시했다.

또한 유기 나노선 기반의 신축성 인공 시냅스는 100% 늘어나도 원래의 전기적 성질을 유지하기 때문에 소프트 로봇 및 신경 보철에 적용이 가능하다. 이러한 유기 물질은 목적에 따라서 화학적으로 분자 구조를 제어하여 전기적·기계적 특성을 조절하기가 용이하다는 강점이 있다. 차세대 생체모사 장치, 소프트 로봇, 신경 보철의 개발을 앞당길 수 있을 것이다.

논문의 교신저자인 이태우 교수는 “저전력, 자가발전(self-powered)으로 구동되는 신축성 인공 감각·운동 신경은 가까운 미래에 생물체와 같이 행동하는 로봇을 개발하는 데 적용될 수 있다”며, “재료·전자·화학·기계·생체 공학의 융합 연구로 탄생한 이번 연구 성과는 알츠하이머, 파킨슨, 루게릭과 같은 질환을 완화하거나 치료하는 보철 장치 개발에 새로운 이정표를 제시할 것”이라고 연구의 의의를 설명했다.

이 연구 결과는 세계적으로도 인정받아 국제 학술지 ‘사이언스(Science)’ 자매지인 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 11월 23일 자로 게재됐다. 한편, 해당 연구는 과기부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원사업, 서울대학교 창의선도 신진 연구자 지원사업의 지원으로 수행됐다.