제안된 장치는 UV 펄스(왼쪽)에 감광성(오른쪽 위)이 있고 유연하고 일회용이며 제조가 용이하여 건강 모니터링 목적에 이상적이다(제공: Takashi Ikuno, Tokyo University of Science)

일본 연구진이 인간의 뇌처럼 작동하는 유연한 종이 기반 센서를 개발했다.

물리적 저장소 컴퓨팅을 사용하는 광전자 시냅스 장치는 시냅스 동작을 나타내며 건강 모니터링에 적합한 시간 단위로 인지 작업을 지원한다.”라고 첨단전자재료(Advanced Electronic Materials) 저널에 온라인으로 게재된 논문의 수석 저자인 다카하시 이쿠노(Takahashi Ikuno) 박사는 말한다.

AI 기반 건강 모니터링 및 생물학적 진단 장치

장기간 사용 시 저전력 소비를 달성하기 위해 AI 기반 건강 모니터링 및 생물학적 진단 장치는 중앙 서버에 지속적으로 연결할 필요 없이 독립적으로 작동하는 독립형 센서를 사용한다고 이쿠노는 설명한다.

“또한 실시간 모니터링을 위해 빠르게 변화하는 생체 신호를 처리할 수 있어야 하고, 인체에 편안하게 부착할 수 있을 만큼 유연해야 하며, 위생상의 이유로 자주 교체하고 폐기하기가 쉬워야 한다.”

인공 시냅스 디자인

이러한 목표를 달성하기 위해 연구진은 산화아연(ZnO) 나노입자와 셀룰로오스 나노섬유(CNF)로 구성된 10μm 투명 필름 위에 금 전극으로 구성된 광전자 인공 시냅스 장치를 제작했다.

투명 필름은 세 가지 주요 용도로 사용된다:

빛을 통과시켜 다양한 생물학적 정보를 나타내는 광 입력 신호를 처리할 수 있다.

셀룰로오스 나노섬유는 유연성을 부여하고 소각으로 쉽게 폐기할 수 있다.

시냅스 같은 디자인

산화아연 나노입자는 광반응성이 있으며 일정한 전압에서 펄스형 UV 광에 노출되면 광전류를 생성한다. 이 광전류는 인간 두뇌의 시냅스에 의해 전달되는 반응을 모방하여 장치가 광학 센서에서 수신된 생물학적 정보를 해석하고 처리할 수 있도록 한다.

특히, 이 필름은 4비트 입력 광 펄스를 구별하고 시계열 광 입력에 응답하여 1초 미만의 빠른 응답 시간으로 고유한 전류를 생성할 수 있었다. 이러한 빠른 대응은 건강 관련 신호의 갑작스러운 변화나 이상을 감지하는 데 중요하다.

두 개의 연속적인 광 펄스에 노출되었을 때 전류 반응은 두 번째 펄스에 대해 더 강했다. 강화 후 촉진이라고 불리는 이러한 행동은 뇌의 단기 기억 과정에 기여하고 익숙한 패턴을 감지하고 반응하는 시냅스의 능력을 향상시킨다.

이를 테스트하기 위해 연구원들은 MNIST 이미지(손으로 쓴 숫자의 표준 데이터 세트)를 4비트 광학 펄스로 변환했다. 그런 다음 그들은 이 펄스로 필름을 조사하고 전류 응답을 측정했다. 이 데이터를 입력으로 사용하여 신경망은 88%의 정확도로 손으로 쓴 숫자를 인식할 수 있었다.

건강 모니터링을 위한 웨어러블 센서

놀랍게도 이 손글씨 숫자 인식 기능은 장치를 최대 1,000번까지 반복적으로 구부리고 늘려도 영향을 받지 않아 견고성과 반복 사용 가능성을 입증했다.

이쿠노는 “이 연구는 PRC의 유연한 시냅스 장치로 사용하기 위해 유연한 CNF 필름에 반도체 나노입자를 삽입할 수 있는 가능성을 강조한다.”라고 결론지었다. 이번 연구는 건강 모니터링 애플리케이션에 웨어러블 센서를 적용할 수 있는 길을 열어준다고 그는 제안한다.