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소금•물 이용해 인간 뇌세포처럼 움직이는 바이오컴퓨터

인공 시냅스를 통해 인간의 뇌처럼 액체의 촉촉함이 컴퓨터가 개발됐다는 소식이다. 이 인공 시냅스는 생체처럼 물과 소금을 이용해 뇌처럼 복잡한 정보를 처리할 수 있다고 한다.실제 시냅스와 똑같이 작동하는 이 인공 시냅스는 경이로운 인간 두뇌의 기능뿐만 아니라 소재까지 모방한 컴퓨터 기술 실현을 위한 중요한 발걸음으로 주목된다.컴퓨터를 인간 두뇌에 얼마나 유사하게 만들 수 있을까인간의 두뇌는 뛰어난 성능을 가지고 있다. 과학자들은 컴퓨터의 에너지 효율을 향상시키기 위해 인간 두뇌의 메커니즘에서 힌트를 얻어왔다. 인간의 뇌 조직을 배양해

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인공 시냅스를 통해 인간의 뇌처럼 촉촉한 컴퓨터가 개발됐다는 소식이다. 이 인공 시냅스는 생체처럼 물과 소금을 이용해 뇌처럼 복잡한 정보를 처리할 수 있다고 한다.

실제 시냅스와 똑같이 작동하는 이 인공 시냅스는 경이로운 인간 두뇌의 기능뿐만 아니라 소재까지 모방한 컴퓨터 기술 실현을 위한 중요한 발걸음으로 주목된다.

컴퓨터를 인간 두뇌에 얼마나 유사하게 만들 수 있을까

인간의 두뇌는 뛰어난 성능을 가지고 있다. 과학자들은 컴퓨터의 에너지 효율을 향상시키기 위해 인간 두뇌의 메커니즘에서 힌트를 얻어왔다. 인간의 뇌 조직을 배양해 뇌세포 자체를 내장한 컴퓨터도 개발되고 있다.

이러한 노력으로 탄생한 것이 기존의 2진법 처리에서 인간의 뇌와 같은 아날로그 방식으로 정보처리를 하는, 마치 뇌처럼 작동하는 컴퓨터다.

하지만 생체 컴퓨터인 뇌가 물과 녹은 소금 입자(이온)를 매개로 작동하는 반면, 뇌를 모델로 한 컴퓨터는 대부분 고체 물질을 이용한다.

그런 매체까지 뇌와 같은 것을 이용하면 뇌의 작용을 더 충실하게 재현할 수 있지 않을까? 　이를 추구하는 것이 생물학과 전자공학을 결합한 ‘이온트로닉 뉴로모픽 컴퓨팅(iontronic neuromorphic computing)’이라는 연구 분야다.

우리나라 서강대학과 네덜란드 위트레흐트대학 연구팀은 이번에 생체의 뇌와 같은 매체를 이용한 시스템이 가능하다는 것을 입증했다고 과학매체 SciTech Daily는 보도했다. 즉 물과 소금을 기반으로 한 컴퓨터로 뇌의 기능을 모방하는 데 성공한 것이다.

그 핵심은 150×200 마이크로미터 크기의 초소형 장치로, 생물의 뇌에서 신경세포와 신경세포 간 신호전달을 담당하는 ‘시냅스’의 기능을 모방한 것이다.

인공 시냅스의 현미경 사진.

위트레흐트 대학의 박사과정생인 팀 캄스마(Tim Kamsma)는 “복잡한 정보를 처리할 수 있는 인공 시냅스는 고체 물질로 이미 만들어졌지만, 물과 소금으로 이를 구현한 것은 이번이 처음이다”라고 설명한다.

개발된 ‘이온트로닉 멤리스터’는 뇌 신경세포의 행동을 그대로 재현한 것이다. 이 장치는 물과 소금 용액으로 채워진 원뿔형 마이크로 경로로 구성돼 있으며, 전기적 자극을 받으면 용액의 이온이 경로 내로 이동해 이온 농도가 변화한다.

이 전도도는 전기 자극의 강도에 따라 변화하며, 그 변화의 크기가 입력 신호를 나타내는 값이 된다. 이것이 바로 신경세포 간의 결합이 강해지거나 약해지는 것과 같은 이치다.

또한 경로의 길이는 이온 농도의 변화가 돌아오는 시간에도 영향을 미친다. 즉, 경로의 길이를 조절함으로써 정보 유지 및 처리 시간이 달라지는 것이다. 이 또한 생체의 시냅스에서 볼 수 있는 특징이기도 하다.

생물학과 전자공학을 결합해 인간의 뇌를 재현

이번 연구는 기초적인 연구로, 이온트로닉 뉴로모픽 컴퓨팅의 본격적인 실용화까지는 아직 시간이 필요하다.

연구팀이 목표로 하는 것은 현재의 컴퓨터보다 훨씬 더 고성능이면서도 에너지 절약형 컴퓨터다. 이는 어디까지나 목표일뿐이지 실현될 수 있을지는 아직 미지수다. 그럼에도 캄스마는 이번 성과를 큰 진전이라고 생각한다.

그는 “인간 두뇌의 통신 패턴뿐만 아니라 같은 매체를 이용한 컴퓨터 개발을 향한 큰 진전이다. 언젠가는 인간 두뇌의 놀라운 능력을 보다 충실하게 재현하는 컴퓨팅 시스템으로 가는 길이 열릴 것이다”고 말했다.

이 연구의 상세한 내용은 ‘PNAS’ 2024년 4월 24일자에 발표됐다.

시냅스는 신경전달물질을 방출함으로써 이웃 신경세포에 메시지를 전달한다.