울산과학기술원(UNIST)은 게 껍질, 콩, 식물 줄기 추출물만으로 사람 뇌의 시냅스보다 에너지 소비가 적은 인공 시냅스를 개발했다고 9일 밝혔다.

고현협 UNIST 에너지화학공학과 교수팀이 개발한 이 인공 시냅스는 0.85 펨토 줄(J)의 에너지로 신호 전달을 일으킨다. 에너지 효율이 뛰어난 사람 시냅스도 약 1~10 펨토 줄을 소비하는데, 이보다 더 낮은 수치다.

이 인공 시냅스는 샌드위치처럼 이온 결합층이 이온 활성층 사이에 끼어 있는 구조다. 이온 활성층에 전기 자극을 주면 나트륨 이온이 방출돼 이온 결합층과 결합하는 방식으로 작동한다.

전기 자극이 사라진 뒤에도 일부 이온이 잔류해 다음 신호의 세기를 조절하는데, 실제 사람 시냅스에서 신경 전달 물질이 수용체에 결합해 기억을 강화하는 과정과 유사한 원리다.

장기 기억 유지 시간은 5994초를 기록했다. 이온이 이온 결합층과 이온 활성층 사이에 오래 머물수록 장기 기억 유지 시간이 증가하는데, 이는 지금까지 보고된 분해성 인공 시냅스 가운데 가장 긴 시간이다.

이온 결합층은 식물 줄기 등에서 유래한 셀룰로오스를 가공한 셀룰로오스 아세테이트이고, 이온 활성층은 게 껍질 추출물인 키토산과 콩 추출물인 구아검 복합체 고분자 물질이다. 모두 친환경 생분해성 물질로 흙 속에서 16일 만에 완전히 분해돼 전자 쓰레기 문제 해결에도 기여할 것으로 기대된다.

연구팀은 이 기술을 활용해 열 자극을 학습하고 기억하는 '생체 반사 로봇 손'도 제작했다. 온도가 높아지면 시냅스 내 이온 움직임이 활발해져 신호 전달 효율이 높아지는데, 이 변화가 인공 시냅스에 남아 있어 위험 수준의 열이 다시 감지되면 증폭된 신호가 모터로 직행해 뜨거운 물체를 바로 놓는 반사를 재현할 수 있다.

장유진 연구원, 나상윤 박사, 노윤구 박사가 제1저자로 참여한 이번 연구에서 연구팀은 "강력한 수소 결합을 가질 수 있도록 소재를 설계해 생분해성 소재의 낮은 내습성과 내열성 문제를 해결했다"며 "시냅스 구조도 단순해 제작이 쉽다"고 설명했다.

고현협 교수는 "초저전력·장기 기억·기계적 안정성·완전 생분해성 문제를 동시에 해결했다는 데 의의가 크다"며 "지속 가능한 차세대 뉴로모픽 디바이스 개발의 기반을 마련한 중요한 전환점이 될 것"이라고 강조했다.

한국연구재단 개인기초연구사업의 지원으로 수행된 이번 연구는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 11월 27일 게재됐다.