국내 연구팀이 인간 피부-신경 모사형 인공 감각 인터페이스 시스템을 개발했다.
인공 감각 시스템은 가상 현실, 메타버스, 인공 피부, 로봇형 의수·의족 등으로 다양하게 활용될 수 있지만, 구현 원리와 시스템의 복잡성 때문에 현실화하기는 어려운 상황이었다. 특히 인간은 다양한 유형의 촉각 수용기를 통해 정보를 조합해 촉각을 감지하므로, 완벽한 인공 감각 시스템의 구현은 더욱 어려웠다.
이에 카이스트 바이오및뇌공학과 박성준 교수, 고려대 천성우 교수, 한양대 김종석 박사 공동 연구팀은 나노입자 기반의 복합 촉각 센서를 제작하고, 이를 실제 신경 패턴에 기반한 신호 변환 시스템과 연결하는 방법을 사용해 인간의 촉각 인식 프로세스를 최대로 모방한 인공 감각 인터페이스 시스템을 구현했다.
연구팀은 우선 압전재료 및 압전 저항성 재료의 조합으로 이루어진 전자 피부를 제작했다. 이 센서는 나노입자의 적절한 조합을 통해 피부 내의 압력을 감지하는 '늦은 순응 기계적 수용기'와 진동을 감지하는 '빠른 순응 기계적 수용기'를 동시에 모사할 수 있는 특징을 가지고 있다.
이 센서를 통해 생성된 전위는, 연구팀이 제작한 회로 시스템을 통해 실제 감각 신호와 같은 형태의 패턴으로 변환된다. 이때 생체 내 상황을 최대한 모사하기 위해 실제 감각신경을 추출, 다양한 감각에 의한 신호를 측정하여 함수화하는 방법이 사용됐다.
연구팀이 개발한 시스템을 동물 모델에 적용한 결과, 인공 감각 시스템에서 발생한 신호가 생체 내에서 왜곡 없이 전달되며 근육 반사 작용 등 생체 감각 관련 현상까지 구현할 수 있음을 확인했다. 또한 연구팀은 지문 구조로 만든 감각 시스템을 20여 종의 직물과 접촉해 직물의 질감을 99% 이상 분류할 수 있으며 학습된 신호를 기반으로 예측할 수 있음을 보여줬다.
박성준 교수는 "이번 연구는 실제 신경 신호의 패턴 학습을 바탕으로 한 인간 모사형 감각 시스템을 세계 최초로 구현했다는 데 의의가 있다"며 "향후 더욱 현실적인 감각 구현이 가능할 뿐만 아니라, 연구에 사용된 생체신호 모사 기법이 인체 내 다양한 종류의 타 감각 시스템과 결합할 경우 더욱 큰 시너지를 낼 수 있을 것"이라고 말했다.
이번 연구 결과는 '네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)'에 최근 게재됐으며, 한국연구재단 신진연구사업, 범부처의료기기개발 사업, 나노소재원천기술개발사업, 차세대 지능형 반도체 개발사업, KK-JRC 스마트 프로젝트, KAIST 글로벌 이니셔티브 프로그램, Post-AI 프로젝트 사업의 지원을 받아 수행됐다.