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조정호 교수팀, 고효율 다중 제어 시스템 제작 및 인체 유사 협응 동작 모사

이온의 공간적 신호 합성을 통한 시냅스 소자 기반 다중 제어 시스템 구축

세계적인 학술지 ‘Nature communications’ 게재

[사진. 조정호 교수]

공과대학 화공생명공학과 조정호 교수 연구팀은 이온을 이용한 공간적 신호 합성을 통해 고효율 다중 제어 시스템을 개발하고 인체 유사 협응 동작을 효과적으로 모사했다. 본 연구는 이온젤 기반 시냅스 반도체 소자를 이용해 기존의 실리콘 기반 반도체에서는 구현하기 복잡했던 인체 유사 손동작을 단일 소자 인공지능 반도체 소자로 제어한 연구로, 제어 시스템 자체의 간결성을 매우 높이면서 동시에 인공 신체 기관(의수 및 인공 신경계 등) 연구 분야의 개발 가능성을 열었다.

인간의 움직임은 단일 근육의 이완/수축으로 만들어지는 것이 아니라, 주변 근육의 협응 동작으로 만들어진다. 그렇기에 인간의 동작과 유사한 로봇이나 의수를 제작하기 위해서는 여러 근육을 동시에, 그리고 효율적으로 제어하는 기술의 확보가 필요하다. 하지만 기존 제어 시스템은 단일 근육을 정확하게 제어하기에는 용이했으나, 동시에 여러 근육을 동작시키는 것은 폰 노이만 구조의 한계로 적합하지 않았으며 많은 연산이 요구됐다.

실리콘 기반 제어의 한계를 극복하고 인간의 근육 제어와 유사한 제어 시스템을 구축하기 위해 조정호 교수 연구팀은 하나의 이온젤을 공유하는 다중 시냅스 제어 시스템을 제안했다. 이온젤은 통상적인 유전체 기반 절연막과 달리, 이온의 움직임을 통해 반도체 소자를 동작시키는 절연 물질로, 이온의 자유로운 움직임을 통해 기존의 절연막 대비 더 먼 거리의 소자를 동작시킬 수 있는 특성을 가지며, 신호 입력단과 신호 수용단 사이의 거리에 따라 이온의 영향력이 떨어지는 특성이 존재한다. 이러한 특성을 이용해 조정호 교수 연구팀은 여러 반도체 소자를 하나의 이온젤에 연결해, 단일 입력 신호로도 여러 시냅스 소자를 입력 신호와의 거리에 따라 제어할 수 있게 했다.

거리에 따라 제어된 시냅스 소자는 3D 프린터와 형상기억합금을 통해 제작된 인공 손에 연결돼 여러 물건들을 사람과 유사하게 집는 실험을 진행했다. 이때 모든 동작은 기존 제어 시스템과 달리 별도의 연산 과정 없이 하나의 신호만으로 동작 제어가 이뤄져 제어 및 에너지 효율을 극대화했다. 이러한 성과는 별도의 전원 공급이 어려운 인체 모사 로봇 동작이 필요한 의수, 안드로이드 등에 폭넓게 응용될 수 있어 기술적 가치가 매우 높다.

[그림. 협응 동작 로봇 손 및 다중 제어가 가능한 시냅스 어레이와 이를 이용한 컵 잡기 모사]

조정호 교수는 “본 연구에서 개발한 고효율 다중 제어 시스템은 현재 이용되고 있는 제어 시스템에서 벗어난 완전히 새로운 제어 시스템으로, 시냅스 소자 하나만으로 다중 동작을 제어할 수 있어 그 응용 가능성이 매우 넓으며, 특히 의수나 안드로이드 제어에 새로운 발전 방향을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.”고 연구의 의의를 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부 주관 미래소재디스커버리사업, 범부처 전주기 의료기기 연구개발사업, 한국연구재단 주관 중견연구자지원사업의 지원으로 우리 대학교 조정호 교수(교신저자)와 노동규·호동해 연구원(공동 제1저자)이 함께 진행했으며, 세계적인 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature communications)’에 1월 3일(현지시간) 게재됐다.

논문정보

● 논문제목: Humanlike spontaneous motion coordination of robotic fingers through spatial multi-input spike signal multiplexing

● 주요저자: 조정호(교신저자, 연세대 화공생명공학과), 노동규(공동 제1저자, 연세대 전기전자공학부), 호동해(공동 제1저자, 연세대 화공생명공학과), 외 6명의 공동저자

● 논문주소: https://doi.org/10.1038/s41467-022-34324-3 

용어설명

● 시냅스 소자: 생체 시냅스의 전달 특성을 모사하는 트랜지스터로, 기존의 실리콘 기반 반도체 소자와는 달리 디지털이 아닌 아날로그 특성을 가져, 아날로그 제어, 인공지능 연산 등 다양한 분야에 사용될 수 있는 차세대 반도체 소자이다.

● 이온젤: 고분자 기반 지지체에 다량의 이온을 보유하고 있는 젤 형태의 절연 물질로, 기존의 유전체 기반 절연막과 달리 신호의 전달 거리가 매우 길고, 전달 세기가 거리에 의해 조절되는 특성을 가진다.

● 폰 노이만 구조: 현재의 컴퓨터 대부분에서 채택하고 있는 메모리와 프로세서가 분리된 구조로, 연산 하나하나의 속도는 빠르지만, 직렬 신호통신의 한계로, 다중 연산에는 불리한 구조이다.