가. 감각계 신경처리 네트워크 모방을 통한 인공 감각 신경 시냅스 구현 인간의 뇌에서 일어나는 정보처리과정은 모두 시냅스 가소성을 바탕으로 일어난다. 신경과학에서 시냅스 가소성이란 시간에 따라 혹은 이전 이후 뉴런의 활동에 따라, 시냅스의 활동이 강화되거나 약화되는 능력을 의미한다. 즉 신호에 따른 뉴런의 적응 능력을 의미한다. 이는 헤비안 이론(Hebbian theory)에서 비롯되었는데, 학습이나 기억같은 뇌의 활동은 시냅스 가소성에 의해 신경세포들이 상호연결되어 일어나는 전기화학반응에 기반하여 일어난다고 알려져있다. 그렇기에 시냅스 가소성은 학습과 기억과 같은 중요한 신경현상의 기초이다. 따라서 먼저 수반되어야할 과정은 뇌가 갖고 있는 시냅스 가소성을 지닌 인공 시냅스 소자를 개발하는 과정이다. (1) 시냅스 가소성을 갖는 인공 시냅스 소자 개발 옥사이드 물질을 이온겔 위에 증착하여 반도체 물질로 사용하는 인공시냅스 소자를 개발할 계획이다. 생물학적 신호처리방식과 유사하게, 이온겔의 이온의 움직임에 의하여 인공시냅스를 통해 신호가 전달된다. 외부 환경에 의해 신호가 전달되면 이는 이온겔 내부에 있는 이온의 흐름에 의해 전기화학적 변화가 일어나게 되고 이는 다음 뉴런에 신호를 전달하는 메커니즘과 같다.[3,4] (2) 저전력 시냅스 소자 개발 인공 감각신경 시냅스를 구성하는 부분은 크게 두 부분으로 나눌 수 있는데, 시냅스 소자와 자극을 전력화 하는 센서부로 나눌 수 있다. 외부 전력이 필요 없이 자가발전이 가능하기 위해서는 시냅스 소자를 구동하는데 필요한 전력 자체가 낮아져야한다. 자체 생산되는 전력만으로 인공 감각신경 시냅스를 작동해야하기 때문이다. 센싱부와 연결하는 회로 구조 및 소자 회로 구조를 연구하여 저전력만으로 가동이 되는 저전력 시냅스 소자를 개발해야한다. 소모전력을 낮춘 뉴로모픽 소자는 기존의 기술적 한계를 극복할 수 있게 해줄 뿐만 아니라, 다양한 분야에 적용 가능할 것이다. (3) 시냅스 가소성을 기반으로 인공 감각신경처리 시스템 구축 우리의 감각은 주변 환경을 인지하고 이해하고 그에 맞게 상호작용하고 반응하는 데에 중요한 수단이다. 생물학적 감각신경계는 다양한 환경 정보를 인지하고 이를 뇌에게 전달하여 우리가 반응하고 적응할 수 있도록 한다. 뇌의 뉴런은 기능에 따라 구분하는데, 감각신경계는 입력 (input) 역할을 한다. 외부 자극이나 환경의 변화를 감지하고 그에 따른 신호를 신경을 통해 뇌로 입력해준다. 이때 시냅스의 활동전위를 연속적으로 변화시켜 신호를 뇌까지 전달하게 되고 비로소 우리는 변화를 인식할 수 있는 것이다. 이 일련의 정보처리과정이 뇌에서는 아주 짧은 시간 안에 수만 번 일어나고 있는 중이다. 나. 자가발전 시스템 융합을 통한 자가발전 인공 감각신경 시냅스 구현 본 연구팀은 인체의 신경시스템을 모방하되, 이를 인체에도 적용이 가능한 전자시스템으로 구축할 계획이다. 그러기 위해선 바이오-전자기기의 가장 큰 장애물 중 하나인 소모전력 문제를 해결해야 중장기적으로 사용가능하다. 구축한 인공 감각신경 시스템에 자가발전 시스템을 융합시켜 외부 전력이 필요 없는 자가발전 인공 감각신경 시냅스를 구현하고자 한다. 외부전력없이 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하여 전력을 생산하는 마찰전기발전 원리는 동적인 움직임 센싱 및 소자 제작에 용이하기 때문에 원하는 외부환경 정보를 감지하는 데에 유리하다.