사람의 통증 그대로 '통각 수용기 모사' 전자소자 구현

황철설 서울대·김경민 KAIST 교수팀, 윤정호 메사추세츠주립대 박사팀 연구
인체 통증 신호를 구현한 휴머노이드 발전 기대
인체가 통증을 느끼는 통각수용기를 모사한 전자소자가 개발됐다.

한국연구재단(이사장 조무제)은 황철성 서울대 교수, 김경민 KAIST 교수, 김유민 서울대 박사과정 연구팀과 윤정호 미국 메사추세츠 주립대 박사 연구팀이 각각의 연구를 통해 멤리스터 소자를 이용한 통각수용기 특성을 인공적으로 구현했다고 6일 밝혔다. 

멤리스터는 메모리(memory)와 저항(resistor)의 합성어로, 전류의 흐름에 따라 저항의 세기가 변화하는 전자소자를 의미한다.

최근 인간의 뇌를 구성하는 신경세포인 뉴런을 모사하는 뉴로모픽 연구가 주목받고 있다. 특히 뉴런을 전자소자로 구현해 전기적 신호를 빠르게 처리하는 연구가 활발하게 진행되고 있다.

그러나 뉴런으로 전기적 신호를 보내기 위해서는 외부 자극을 감지하고 자극의 강도에 따라 생체 신호를 생성하는 수용기가 필수적이다. 그동안의 뉴로모픽 연구는 신경 시스템의 또다른 구성 요소인 수용기 부분에 대한 연구가 거의 없었다.

이에 연구팀은 멤리스터의 임계 스위치 특성이 통각수용기와 유사하다는 점에 착안해 통각수용기를 닮은 소자를 개발했다.

인체의 통각수용기는 특정 값을 초과하는 자극에만 반응해 통증신호를 전달한다. 멤리스터 역시 가해진 전압의 세기가 임계값보다 작을 때에는 큰 저항값을 가지고, 임계값보다 클 때에는 작은 저항값을 갖는다. 

각 연구팀은 멤리스터를 이용해 통각수용기와 같은 통각 과민, 이질통, 회복 등의 특성을 완벽히 모사했다.

이번 연구에서 황철성 교수‧김경민 교수 연구팀은 무조건반사 기능을 모사했다. 양 교수의 지도하에 김유민 박사과정 학생이 제1저자로서 실험을 설계하고 수행했다.

윤정호 박사 연구팀은 멤리스터에 열전 소자를 접합해 외부 열 자극을 감지할 수 있는 기능을 구현했다. 

황철성 서울대 교수는 "이번 연구를 통해 세계 최초로 통각수용기 특성을 구현하는 전자소자를 개발했다"면서 "최근 관심이 높아지고 있는 휴머노이드 발전에 기여할 것으로 기대된다"고 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단 글로벌연구실사업과 학문후속세대양성사업의 지원으로 수행됐다. 연구 결과는 재료분야 국제학술지인 어드밴스드 머터리얼스(Advanced materials)와 네이처 커뮤니케이션(Nature communication)에 각각 지난 달 10일자, 29일자로 게재됐다.

이번 연구를 수행한 연구진의 모습.(왼쪽부터 황철성 서울대 교수, 김경민 KAIST 교수, 김유민 서울대 박사과정생, 윤정호 박사)이번 연구를 수행한 연구진의 모습.(왼쪽부터 황철성 서울대 교수, 김경민 KAIST 교수, 김유민 서울대 박사과정생, 윤정호 박사)
외부의 열 자극을 감지할 수 있는 인공 통각수용기 구현.<자료=한국연구재단 제공>외부의 열 자극을 감지할 수 있는 인공 통각수용기 구현.<자료=한국연구재단 제공>
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