유연한 신경 전자 소자, 로봇과 웨어러블 디바이스를 더智能하게 만든다

펜실베니아 주립대 엔지니어 팀은 로봇과 웨어러블 디바이스를 더智能하게 만들 수 있는 유연한 신경 전자 소자를 개발했다. 이 소자는 뇌의 신경 세포와 같이 작동하여 신호를 보내거나 억제하여 디바이스의 기억력을 강화하거나 약화시킨다.

이 연구는 커ンジ앙 유(Cunjiang Yu) 교수가 이끌었으며, 엔지니어링 과학 및 기계 공학부와 생물 의학 공학부, 재료 과학 및 공학부의 부교수로 재직 중이다.

이 연구는 네이처 일렉트로닉스에 발표되었다.

신경 전자 소자 설계

연구 팀은 이 신경 전자 소자를 로봇이나 웨어러블 디바이스에 통합하기 위해 설계했으며, 인공 지능(AI)을 사용하여 기능을 최적화할 수 있다.

“인간의 뇌를 모방하여 로봇과 웨어러블 디바이스가 이 신경 전자 소자를 사용하여 인공 신경 세포로 ‘학습’하고 행동을 적응시킬 수 있다”고 유 교수는 말했다. “예를 들어, 우리가 스토브에 손이 닿아 불면, 그것은 아프고, 다음 번에는 그것을 만지지 않도록 한다. 이와 같은 결과는 신경 전자 소자를 사용하는 디바이스에서도 가능하다. 인공 지능은 환경에 따라 ‘학습’하고 적응할 수 있다”고 말했다.

인간의 뇌를 모방하다

유 교수는 이 신경 전자 소자의 인공 신경 세포가 인간의 뇌의 작은 부분인腹側縱隔核에서 발견되는 신경 세포와 같이 작동하도록 설계되었다고 말했다. 신경 세포는 먼저 정보를 처리하고 전달하기 위해 시냅스에서 신경 전달 물질을 방출한다. 시냅스는 일반적으로 신경 세포의 끝에 위치한다.兴奋性 신경 전달 물질은 다른 신경 세포의 활동을触發하여 기억력을 강화한다. 반면, 抑制性 신경 전달 물질은 다른 신경 세포의 활동을 감소시켜 기억력을 약화시킨다.

“인간의 뇌의 다른 부분과 달리, 腹側縱隔核의 신경 세포는興奋性와 抑制性 신경 전달 물질을 동시에 방출할 수 있다”고 유 교수는 말했다. “신경 전자 소자를 이 두 가지 신경 전달 물질의 동작을 모두 수행하도록 설계함으로써, 전통적인 집적 회로 기술보다 더 적은 수의 전자 소자가 필요하며, 시스템 구조를 단순화하고 에너지 소모를 줄일 수 있다”고 말했다.

연구자들은 유연하고 가늘어진 생물학적 조직을 모델링하기 위해 가늘어진 이층 반도체 재료를 사용하여 소자를 제작했다. 이것은 소자가 사용 중에 늘어나고 비틀릴 수 있음을 의미한다. 그러나 전통적인 전자 소자는 너무刚性하여 변형되면 깨질 수 있다”

“이 전자 소자는 기계적으로 변형 가능하고 기능적으로 재구성 가능하지만, 넓게 늘여도 여전히 기능을 유지한다”고 유 교수는 말했다. “로봇이나 웨어러블 디바이스에 부착되어 외곽 피부로 작용할 수 있다”고 말했다.