안녕하세요, 데이크루 1기로 활동 중인 '므인'입니다.

최근 카이스트 전기및전자공학부 소속 연구팀이 인간의 촉각 신경세포(뉴런)을 모방한 뉴로모픽 모듈을 개발했다고 합니다! 이와 비슷하게 작년에는 카이스트 바이오및뇌공학과 소속 연구팀과 고려대학교, 한양대학교 공동 연구팀에서 인간의 피부-감각을 모사한 인공 감각 인터페이스 시스템도 개발했습니다.

제가 어렸을 때는 로봇이 인간처럼 촉감과 같은 감각을 느낄 수 있다는 것은 미래 사회를 나타내는 영화에서나 볼법한 말그대로 영화같은 이야기라고 생각했는데요.

그 이유는 인간의 다양하고 섬세한 감각 기관을 구현해내기엔 그 원리와 시스템이 너무 복잡하여 힘들거라고 생각했습니다.

하지만 이 순간에도 세상은 발전하고 있으며, 허황된 상상이라고 생각한 미래는 생각보다 빠르게 까워지고 있는것 같아요!

앞으로 다양한 분야에 많은 영향을 끼칠 이 소식을 데이커분들에게 전달하고 싶어 게시글을 작성하게 되었습니다 :)

그럼 좀 더 자세하게 소개해 볼게요!

인공 감각 인터페이스 시스템 개발

이미지 출처 : https://times.kaist.ac.kr/news/articleView.html?idxno=20392

연구팀은 나노입자 기반의 복합 촉각 센서를 제작하고 이를 실제 신경 패턴에 기반한 신호 변환 시스템과 연결하는 방법을 사용하여 시스템을 구현하는데 성공하였는데요.

먼저 나노입자 기반의 복합 촉각 센서는 피부 수용기를 모사하기 위한 것으로, 이 센서를 통해 압전재료와 압전 저항성 재료의 조합으로 이루어진 전자 피부(인공 피부) 제작했습니다.

이 센서는 두가지 특징을 가지고 있는데요. 바로 늦은 순응 기계적 수용기(SA mechanoreceptor)와 빠른 순응 기계적 수용기(FA mechanoreceptor)를 동시에 모사할 수 있다는 점입니다.

늦은 순응 기계적 수용기는 나노입자의 적절한 조합을 통해 피부 내의 압력을 감지할 수 있으며 빠른 순응 기계적 수용기는 피부 내의 진동을 감지할 수 있습니다.

앞서 언급한 것처럼 나노입자 기반의 복합 촉각 센서는 피부 내의 압력과 진동을 동시에 느낄 수 있어 매우 섬세하고 유용한 센서인거죠!

실제 신경 패턴에 기반한 신호 변환 시스템은 신경 신호를 모사하기 위한 것으로, 촉각 센서에서 생성된 전위를 연구팀이 제작한 회로 시스템을 통해 감각 신호의 형태와 같은 패턴으로 변환되는 시스템입니다.

이때 생체 내 상황을 최대한 모사하기 위해, 실제 감각신경을 추출, 다양한 감각에 의한 신호를 측정하여 함수화하는 방법이 사용되었다고 합니다.

이렇게 두 가지 기술을 조합하여 실제 신경 신호의 패턴 학습을 바탕으로 한 인간 모사형 감각 시스템을 세계 최초로 구현해냈습니다!

더 자세한 정보는 아래 링크에서 논문을 게시한 학술지에서 찾아보실 수 있습니다.

https://www.nature.com/articles/s41928-021-00585-x#citeas

인간의 촉각 뉴런을 모방한 뉴로모픽 모듈 개발

생물학적 촉각 인식 시스템은 스파이크 형태로 감각 정보를 전달하기 때문에 그 전부터 사용되고 있던 인공지능을 이용한 촉각 인식 시스템과는 달리 낮은 전력 소비만으로도 물체, 패턴, 또는 질감을 판별할 수 있습니다.

그렇기에 저전력으로 촉각 인식 시스템을 구축하여 모바일 또는 사물인터넷(IoT)에 적용하기 위해서는 생물학적 촉각 인식 시스템을 모방한 뉴모로픽 촉각 인식 시스템이 정말 중요한데요.

이 시스템을 구현하기 위해 인간의 촉각 뉴런처럼 외부 압력 신호를 스파이크 형태의 전기 신호로 변환해주는 구성 요소가 필요하게 됩니다.

바로 이번에 연구팀에서 그 압력 센서를 개발한 것입니다.

이미지 출처 : https://news.kaist.ac.kr/news/html/news/?mode=V&mng_no=19090

연구팀은 압력을 인식해 스파이크 신호를 출력할 수 있는 뉴로모픽 모듈을 개발했는데요.

이때 마찰대전 발전기(triboelectric nanogenrator, TENG)와 바이리스터(biristor) 소자를 이용하여 제작하였습니다.

그렇기에 뉴로모픽 모듈은 마찰대전을 통해 자가 발전이 가능하고, 손가락으로 사물을 만질 때 피부가 느끼는 압력 정도의 크기인 3 킬로파스칼(kPa) 수준의 낮은 압력을 감지할 수 있습니다.

또한 연구팀은 제작된 뉴로모픽 모듈을 바탕으로 저전력 호흡 모니터링 시스템을 구축했습니다.

호흡 모니터링 센서가

1) 코 주위에 설치되면 들숨 및 날숨을 감지하고

2) 복부 주변에 설치되면 복식호흡을 별도로 감지할 수 있습니다.

따라서 수면 중 무호흡이 일어날 경우, 이를 감지해 경보를 보냄으로써 심각한 상황을 방지할 수 있게 되는 것이죠!

뉴로모픽 센서 모듈은 반영구적 자가 발전형으로 필요한 에너지를 스스로 생산하기 때문에 앞서 말했듯이 사물인터넷(IoT), 로봇, 인공촉수, 의료기기 등 다양한 분야에서 유용하게 활용될 수 있습니다!

더 자세한 정보는 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’ 2022년 1월 온라인판에 출판되어 있으니 아래 링크를 참고 하셔서 보시길 바랍니다!

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202105076

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기술들이 상용화되는 날들을 기대하며 게시물은 여기서 마무리하겠습니다!

읽어주셔서 감사합니다. 좋아요와 댓글은 언제나 환영입니다 :-)

+ 본 포스팅은 데이콘 서포터즈 “데이크루" 1기 활동의 일환입니다.

[참고]

인공 감각 인터페이스 시스템 : https://times.kaist.ac.kr/news/articleView.html?idxno=20392

뉴로모픽 모듈: https://news.kaist.ac.kr/news/html/news/?mode=V&mng_no=19090