생물학적 통각수용기는 임계 특성을 가지며 임계값 이상의 자극이 왔을 때 이를 통증으로 인지하고 뇌로 신호를 전달한다. 하지만 세포가 손상될 정도의 매우 큰 자극을 받은 후에는 임계값 이하의 자극도 통증으로 느끼고, 임계값 이상의 자극에는 평소보다 큰 통증을 느낀다. 이는 각각 이질통, 통각과민이라 하며 통각수용기의 대표적 특징 중 하나이다. 전자 이동에 의한 임계스위칭 거동을 보이는 멤리스터 소자를 개발하여 통각수용기의 이러한 대표적인 특성들을 모사하였다.
인체가 통증을 느끼는 통각수용기를 모사한 전자소자가 개발됐다. 한국연구재단은 5일 서울대학교 황철성 교수‧한국과학기술원 김경민 교수 공동연구팀과 미국 MIT 윤정호 박사 연구팀이 각각의 연구를 통해 멤리스터 소자를 이용해 통각수용기 특성을 인공적으로 구현했다고 밝혔다.
최근 인간의 뇌를 구성하는 신경세포인 뉴런을 모사하는 뉴로모픽 연구가 크게 주목받고 있다. 특히 뉴런을 전자소자로 구현해내어 전기적 신호를 빠르게 처리하는 연구가 최근 활발히 진행되고 있다.
그러나 뉴런으로 전기적 신호를 보내기 위해서는 외부 자극을 감지하고 자극의 강도에 따라 생체 신호를 생성하는 수용기가 필수적이지만, 지금까지의 뉴로모픽 연구는 신경 시스템의 또 다른 구성 요소인 수용기 부분에 대한 연구가 전무한 실정이었다.
연구팀은 멤리스터의 임계 스위칭 특성이 통각수용기와 유사하다는 점에 착안하여 통각수용기를 닮은 소자를 개발했다. 인체의 통각수용기는 특정 값을 초과하는 자극에만 반응하여 통증 신호를 전달해준다. 멤리스터 역시 가해진 전압의 세기가 임계값보다 작을 때에는 큰 저항값을 가지고, 임계값보다 클 때는 작은 저항값을 갖는다.
각 연구팀은 멤리스터를 이용하여 통각수용기와 같은 통각 과민, 이질통, 회복 등의 특성을 완벽히 모사해냈다. 특히 황철성 교수‧김경민 교수 연구팀은 무조건반사 기능까지 모사했으며, 윤정호 박사 연구팀은 멤리스터에 열전 소자를 접합하여 외부 열 자극을 감지할 수 있는 기능을 구현해냈다.
이번 연구는 재료분야 국제학술지 어드밴스트 머터리얼스(Advanced materials), 네이처 커뮤니케이션(Nature communication)에 각각 1월 10일, 1월 29일 논문으로 게재됐다.