인간의 촉각 감지, 기억 및 학습 모방한 로봇 피부 응용 기대

김도환 한양대 화학공학과 교수와 조정호 연세대 화공생명공학과 교수, 이승걸 부산대 유기소재시스템공학과 교수 공동연구팀이 단일 소자에서 신호 간섭이 없이 촉각을 민감하게 감지하고 장시간 기억할 수 있는 이온트로닉 인공 촉각 신경을 개발했다고, 한양대가 19일 밝혔다.

인간의 촉각 인지 및 기억 능력은 외부 환경을 실시간으로 파악하고, 접촉 자극을 이용해 특정 물체를 식별 및 조작하는데 중추적인 역할을 한다. 이러한 생물학적 촉각 기능을 저전력으로 구현하기 위해 이온트로닉 인공 촉각 신경 개발이 이뤄져 왔으나, 복잡한 회로 구조(촉각 센서-신호변환기-이온겔 시냅스 소자 간 전기적 연결) 및 낮은 기억 특성은 난제로 남아있었다.

이에 연구팀은 촉각 자극과 외부 전기장에 의해 자유이온 농도 및 이온 플럭스(ion flux)가 각각 독립적으로 제어되는 새로운 개념의 ‘이온 구속 및 방출 동역학(ion trap and release dynamics)’을 고안하고, 이를 통해 촉각 정보에 대한 감지-기억-학습 기능이 일체화된 촉각 증강형 인공 신경을 개발했다.

종래의 이온 동역학 개념과는 달리, 이온 구속 상태에서는 이온겔 내부 전기화학적 특성이 외부 전기장에 의해 지배되지 않으며, 촉각 자극에 의해 방출된 이온만이 전기적 자극에 의해 강화된 시냅스 기억 신호를 생성할 수 있다. 연구팀은 이를 활용하여 단일 소자 내에서 촉각 검출 신호와 시냅스 신호 간 간섭 없이 감각 인지 및 기억 특성을 동시에 구현할 수 있었다.

또한, 연구팀은 개발된 인공 촉각 신경 소자를 로봇 구동 회로와 결합하여 강화된 촉각 기억 능력을 토대로 학습된 물체 조작 동작을 안정적으로 지속할 수 있는 로봇손 시스템을 구현함으로써, 개발된 인공 촉각 신경이 지능형 로보틱스 분야에 효과적으로 응용될 수 있음을 입증했다.

김도환 교수는 “이번 연구성과는 새로운 이온 동역학 개념이 적용된 이온성 소재 설계를 통해 기존 인공 촉각 신경의 한계점을 원천적으로 해결했다는 점에서 학술적·기술적 의의가 크다”라며, “이를 통해 지능형 소프트 로보틱스 뿐만 아니라 스마트 신경 보철, 뉴로모픽 전자피부 분야에도 적극적인 활용이 기대된다”고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부, 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업, 나노 및 소재 기술개발사업, STEAM 연구사업, 선도연구센터사업의 지원으로 수행되었다.

연구결과 (논문명 : Ion trap and release dynamics enables non-intrusive tactile augmentation in monolithic sensory neuron)는 저명한 국제학술지 「Science Advances」에 10월 19일(한국시간) 게재되었으며, 관련 기술로 2건의 국내 특허를 등록한 상태다.

[사진1] 공동연구팀. (왼쪽부터) 김도환 한양대 교수, 조정호 연세대 교수, 이승걸 부산대 교수(이상 교신저자), 권혁민·김주성 한양대 연구원, 김성찬 펜실베니아주립대 연구원, 강혜수 일리노이대 연구원(이상 제1저자)

[사진2] 연구결과 모식도 1(A) 이온 구속 및 방출 동역학 메커니즘 개념도(B) 이온 구속 효과에 의한 이온 분자의 입체 배열 구조 변화 (C) 촉각 자극에 의한 이온 방출에 따른 이온 분자의 자유도 증가 및 이온겔 내부 자유이온 농도 증가

[사진3] 연구결과 모식도 2(A) 이온 구속 및 방출 동역학에 의한 촉각 증강형 인공 신경 소자의 구동 메커니즘 (B) 전기적 펄스 자극 하 촉각 증강형 인공 신경 소자의 촉각 감지 성능 비교 (C) 촉각 증강형 인공 신경 소자가 부착된 로봇시스템의 촉각 학습 과정 및 장기 기억 특성 평가(D) 촉각 기억 능력 유무에 따른 로봇손의 구동 신뢰성 평가