조정호 교수팀, 사람의 의식적 반응을 모사하는 인공 신경계 시스템 개발

사람의 신경계 모사를 통한 인공지능(AI) 반도체소자의 응용분야 확장

세계적인 학술지 ‘Science Advances’ 게재

조정호 교수(화공생명공학과) 연구팀은 사람의 의식적 반응을 모사하는 인공 신경계를 최초로 개발했다. 본 연구는 인공지능 반도체 소자를 사용해 인간의 신호전달 시스템을 모사한 연구로, 인공지능 반도체 소자와 인공 신체기관(인공 의수 및 인공 신경계 등)을 융합하는 미래 헬스케어 및 소프트 로봇 기술의 가능성을 열었다.

인간은 다양한 자극을 인지하고 이에 대처할 수 있는 정교한 반응 시스템을 가지고 있다. 반응 시스템은 의식의 유무에 따라 무의식적인 반응과 의식적인 반응으로 구분할 수 있다. 무의식적인 반응은 무릎 반사와 같이 인간의 의사와 무관하게 나타나는 반응이다. 반면 의식적인 반응은 떨어지는 핸드폰을 잡는 것과 같이 사람의 의식적인 결정이 동반되며, 반복 학습을 통해 자극에 대한 반응 속도가 빨라지도록 강화할 수 있다.

이러한 인간의 자극-반응 시스템을 모사하는 ‘인공신경 시스템’은 인공 의수 제작 및 손상된 신경계를 대체할 수 있다는 점에서 주목받고 있다. 세계 각국의 연구진이 사람에게 적합한 인공신경 시스템 제작을 위해 연구를 진행하고 있으나 대부분 무의식적 반응을 모사하는 연구에 국한돼 인공신경 시스템의 효용성이 부각되지 않고 있었다.

조정호 교수팀은 인공지능 반도체 소자(인공 시냅스 소자)를 기반으로 사람의 망막으로 들어온 신호(외부자극)에 대한 의식적인 반응을 모사했다. 시각 정보처리에 필요한 ‘망막, 시냅스, 뉴런, 근육’을 각각 ‘양자점 광검출기, 유지형 전기 이중층 트랜지스터, 상보성 금속 산화물 반도체 기반 뉴런회로, 로봇 손’으로 대체해 인공 자극-반응 시스템을 개발했다.

제작된 시스템은 인공지능 반도체 소자의 학습 및 데이터 처리 능력을 활용해 반복적인 빛 신호에 대한 로봇 손의 반응 속도를 제어했다. 인공지능 반도체 소자의 학습능력은 이온의 이동속도를 느리게 전환하는 유지형 전기 이중층을 통해 구현됐으며, 해당 소자의 학습에 쓰이는 신호는 양자점 광검출기를 통해 전달됐다. 이때 사용된 광검출기는 기존 광검출기와 달리 연속적인 빛 신호를 펄스 형태의 신호로 변환하는 뉴런회로와 결합돼 있어, 인공지능 반도체 소자의 학습에 용이한 신호를 내보내는 특성이 있다.

연구진은 인체의 자극 수용 시스템과 매우 유사한 인공신경 시스템을 구현해 외부자극에 대한 의식적인 반응을 가능하게 했다. 본 연구결과는 사람의 생체신호 전달 체제를 유사하게 구현했다는 장점에서 더 나아가, 데이터 처리 및 학습 능력을 통해 단순한 신호전달이 아닌 의식적 반응을 모사했다는 점에서 향후 인공지능 반도체 소자 연구의 새로운 방향을 제시했다.

조정호 교수는 “본 연구는 기존의 단순한 자극 전달 및 무의식적 반응을 모사한 자극-반응 시스템의 한계를 극복한 연구로, 전자소자를 이용한 생체모사 연구가 단위 소자의 영역에서 벗어나 인간의 신경시스템을 모사하는 연구로의 발전 방향을 제시한 것”이라고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부가 주관하는 미래소재디스커버리 사업의 지원으로 진행됐으며, 공동연구를 진행한 사업단장 정소희 교수(성균관대 에너지과학과)는 “해당 연구는 공유결합성 인공원자를 이용해 생체 신경계를 모사했다는 점에서 인공원자 소재의 응용 분야를 확장한 획기적인 연구”라고 평가했다. 본 연구결과는 세계적인 학술지 사이언스 어드밴시스(Science Advances)에 4월 9일(현지시간) 게재됐다.

[그림. 인간의 자극-반응 시스템을 통한 의식적인 반사 및 인공 시스템에 사용된 인공 소자의 모식도]

논문정보

● 논문제목: Artificial Stimulus-Response System Capable of Conscious Response

● 저자: 조정호(교신저자, 연세대 화공생명공학과), 김성찬(공동제1저자, 성균관대 나노과학기술학과), 노동규(공동제1저자, 연세대 전기전자공학부) 외 9명의 공동저자

● 논문주소: https://advances.sciencemag.org/content/7/15/eabe3996 

용어설명

● 양자점(Quantum dot): 수 나노미터(nm) 크기의 초미세 반도체 입자로 그 크기에 따라 전기적, 광학적 성질이 바뀜. 일반적으로 사용되는 발광 특성뿐만 아니라 빛의 흡수 특성도 제어가 가능함.

● 광검출기(Photodetector): 빛 또는 기타 전자기파를 감지하는 소자로, 광자(빛)를 전류로 변환하는 특성을 지니고 있음.

● 유지형 전기 이중층(Retentive-EDL): 일반적으로 전기 이중층은 전해질 기반 절연소재로, 트랜지스터의 게이트 절연체로 사용되며 높은 정전용량을 지니고 있음. 본 연구에서 개발된 유지형 전기 이중층은 전해질 기반 절연소재와 유기 절연소재를 적층한 구조로 전해질 내 이온의 움직임을 유기 절연소재를 통해 제어가 가능함.

● 시냅스(Synapse): 뉴런(신경 세포) 간 틈을 이야기하며, 뉴런에서 다른 뉴런으로 신호를 전달하는 역할을 함.

출처 : 연세소식