이내응 성균관대 교수팀, 지능 내재된 인체 모방 인공 촉각기 개발

인체 감각기관 유사 시냅스 기능 최초 모방

차세대 지능형 전자피부, 엣지 AI 등에 새 패러다임 제공 기대

성균관대(총장 신동렬)는 이내응 신소재공학부 교수 연구팀(제1저자 이유림 석박통합과정생)이 유연성 강유전체 나노복합체를 적용해 인체 감각기관의 유사 시냅스 기능과 구조를 모방해 지능성이 내재된 유연성 인공 촉각기를 개발했다고 10일 밝혔다.

최근 기계학습 및 인공지능이 핵심 산업기술 분야로 대두되면서 인체의 뇌를 모방한 시냅스 소자와 감각기관을 모방한 센서를 개발하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 시냅스를 포함하는 정보처리 프로세서와 정보를 입력하는 센서를 독립적으로 개발하고 있어 근본적인 센서 신호처리 데이터의 병목현상을 해결하는 데 어려움이 있다.

이에 연구진은 인체 촉각 감각기관의 메르켈 감각 수용체와 감각뉴런 말단 사이의 유사 시냅스 연결 구조를 모방해 이 문제를 해결하고자 했다. 또한, 인체 감각인지 과정에서 뇌뿐만 아니라 감각기관 또한 자체적으로 1차 정보처리를 하고 유사 시냅스 기능을 통해 고차원의 정보처리를 하는 것에 주목했다.

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 구동했다.

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 기능 구현이 가능한 것을 확인했다.

또한, 터치의 횟수 및 순서 등을 예측함으로써 소자 자체에 인체 감각기관의 감각기억과 유사한 메모리 기능이 구현될 수 있음을 증명했다. 인공 촉각기 자체에서 1차적인 신호 전처리가 가능한 것은 물론, 소자가 유연성을 갖도록 개발함으로써 구부려도 안정적으로 구동되는 것을 확인했다.

이번 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 보인다.

성균관대는 "인체의 감각기관을 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 있다"고 설명했다.

연구는 교육부 기초연구기반구축사업(중점연구소지원), 과학기술정보통신부 중견연구자지원(유형2 중견연구) 및 삼성전자(삼성전략산학연구)의 지원으로 수행됐으며, 연구 성과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션스 (Nature Communications)' 에 지난 2일자로 게재됐다.