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뇌 신경 세포망 모방한 인공섬유 기술 개발

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뇌 신경 세포망 모방한 인공섬유 기술 개발

2021.06.03 13:19
KIST연구팀...지능형 웨어러블 분야·AI 반도체 소자 활용 기대
 왼쪽은 생물의 신경세포구조, 오른쪽은 본 연구팀이 개발한 꼬아진 전극을 기반으로 하는 인공신경섬유소자의 구조를 비교 설명한 그림. 인공신경섬유소자 그림의 아래는 실제 소자의 사진을 나타냈다. KIST 제공
왼쪽은 생물의 신경세포구조, 오른쪽은 본 연구팀이 개발한 꼬아진 전극을 기반으로 하는 인공신경섬유소자의 구조를 비교 설명한 그림. 인공신경섬유소자 그림의 아래는 실제 소자의 사진을 나타냈다. KIST 제공

뇌 신경세포망을 모사한 인공섬유가 개발됐다. 방대한 양의 데이터도 적은 전력으로 처리할 수 있어 지능형 웨어러블 분야와 인공지능(AI) 반도체 소자로 활용이 가능할 것으로 기대된다.


한국과학기술연구원(KIST)은 3일 임정아∙주현수 광전소재연구단 책임연구원팀이 뇌의 신경세포망과 같은 기능을 구현할 수 있는 인공섬유 소자를 개발했다고 밝혔다.


AI 기술이 발전하면서 컴퓨터가 처리해야 할 데이터의 양이 늘고 있다. 컴퓨터는 데이터를 순차적으로 처리해 방대한 양의 데이터를 처리하기 위해서는 많은 시간과 전력이 소모된다. 과학자들은 이 문제를 해결하기 위해 인간의 뇌에 주목하고 있다. 뇌는 아주 적은 전력으로도 많은 양의 데이터를 빠르게 처리하기 때문이다.


연구팀이 개발한 인공섬유 소자는 뇌의 뉴런과 시냅스 역할을 하는 소자가 결합된 형태다. 뉴런은 뇌의 신경세포로 자극을 수용∙전달하는 역할을 하는 신경계의 구조적 단위를 뜻한다. 시냅스는 한 뉴런에서 다른 뉴런으로 신호를 전달하는 연결지점이다. 


주현수 책임연구원은 “뉴런 하나를 물이 담긴 항아리라 비유한다면 뇌는 여러 개의 항아리가 여러 갈래로 연결된 구조”라며 “항아리에 물이 가득차면 다음 항아리로 수로를 통해 물을 흘려보내게 되는데, 이 과정에서 물의 양을 조절하는 밸브 역할을 시냅스가 하는 것”이라고 설명했다.


이 같은 뉴런과 시냅스의 구조는 꼬아진 전극 구조를 기반으로 한 실 형태의 트랜지스터에 다중의 게이트를 연결해 구현했다. 트랜지스터 전극으로 들어오는 전기적 자극에 따라 반도체 소재와 절연막에 존재하는 이온 사이에 산화환원 반응이 일어나도록 설계했다. 이를 통해 시냅스처럼 전기신호의 강도를 기억하여 전달할 수 있는 트랜지스터를 개발했다.


연구팀은 “여러 개의 전극에서 다발적으로 들어오는 전기적 신호가 자연스럽게 하나의 소자에서 통합되는 뉴런과 동일한 특징을 보인다”며 “이는 생물의 신경세포 동작 특성과 매우 유사하다”고 설명했다. 연구팀이 인공신경섬유를 엮어 100개 시냅스로 구성된 인공신경망을 제작해 음성인식 학습을 시킨 결과 88.9%의 음성 인식률을 보이는 것으로 나타났다.


임정아 책임연구원은 “개발된 인공섬유소자는 실제 뇌신경망과 유사한 대규모의 저전력 인공신경망을 실현할 수 있는 원천기술”이라며 “유연한 특성을 바탕으로 AI 반도체소자와 웨어러블, 로봇공학 분야 활용으로 이어질 수 있다”고 밝혔다.


이번 연구결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 머터리얼즈’에 지난달 24일 공개됐다.

 

왼쪽부터 임정아·주현수 KIST 광전소재연구단 책임연구원. KIST 제공
왼쪽부터 임정아·주현수 KIST 광전소재연구단 책임연구원. KIST 제공


 

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