성균관대, 초음파 듣고 기억하는 ‘인공 신경’ 개발

[이데일리 김응열 기자] 성균관대 연구진이 고무줄처럼 잡아당겨 늘려도 초음파를 안정적으로 감지하고 감지한 신호를 신경세포처럼 기억할 수 있는 ‘인공 초음파 감각 시냅스 소자’를 구현했다. 향후 해양 탐사 로봇이나 피부에 밀착하는 웨어러블 의료기기 등에 활용될 것으로 예상된다.

(왼쪽부터)성균관대의 이내응 교수(교신저자), 도디에우쭝 연구원(제1저자). (사진=성균관대)

성균관대는 이내응 신소재공학부 교수 연구팀이 ‘인공 초음파 감각 시냅스 소자’를 구현했다고 23일 밝혔다.

최근 로봇 피부나 몸에 붙이는 전자기기가 발전하면서 초음파 신호를 감지하고 신경처럼 처리하는 기술이 주목받고 있다. 하지만 기존에 쓰이던 무기물 소재는 잘 부러지는 단점이 있었고 유연한 고분자 소재는 잡아당겼을 때 원래대로 돌아오지 않거나 압전(힘을 받으면 전기를 만드는 성질) 성능이 크게 떨어져 신축성 있는 초음파 센서를 만드는 데 어려움이 있었다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 유연한 고분자를 부드러운 사슬 분자로 묶어주는 ‘가교 결합’ 방식을 적용하고 여기에 전기를 잘 발생시키는 나노미터 크기의 타이탄산바륨(BaTiO3) 입자를 섞어 새로운 나노복합소재를 합성했다. 고분자와 나노 입자 사이에 튼튼한 화학적 결합을 유도해 재료 본연의 늘어나는 성질을 잃지 않으면서도 전기적 성능을 나타내는 결정 구조를 늘리는 데 성공한 것이다.

새로 개발된 나노복합소재는 원래 길이보다 50% 길게 잡아당겨 늘린 상태에서도 압전 성능이 안정적으로 유지됐다. 또 1000번 넘게 누르거나 당겨도 성능 저하가 없었다.

연구팀은 이 늘어나는 초음파 센서를 유연한 인공 신경 소자(시냅스 트랜지스터)와 하나로 결합했다. 물속에서 초음파가 전달되면 센서가 이를 감지해 전기 신호를 만들고 이 신호가 인공 시냅스 소자로 전달돼 마치 살아있는 신경세포처럼 초음파 신호 정보를 기억하도록 만든 것이다. 이는 돌고래의 귓속 감각세포가 초음파 진동을 받아 뇌 신경망으로 신호를 전달할 수 있는 생체 시스템을 모방한 인공 초음파 감각 시스템 개발의 시발점이 될 수 있을 것으로 전망된다.

이내응 교수는 “이번 연구 성과는 물속에서 작동하는 부드러운 해양 탐사 로봇은 물론 사람의 피부에 밀착해 건강을 모니터링하는 웨어러블 의료 기기 개발에 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.