생체 전압으로 작동하는 인공 뉴런 개발: 소비 전력 100배 절감

전자 칩이 인간의 뇌와 직접 대화하는 데 있어 가장 큰 걸림돌은 연산 능력이 아니라 바로 '전압'이었습니다.

실제 신경세포가 신호를 보낼 때 발생하는 전압은 대략 70~130밀리볼트에 불과합니다. 반면 기존의 인공 뉴런 장치들은 작동을 위해 0.5볼트 이상의 전압을 요구하는 경우가 많았습니다. 이 전압 차이는 막대한 전력을 소모할 뿐만 아니라, 민감한 생체 세포에 직접 닿을 경우 조직을 손상시킬 위험이 컸습니다.

매사추세츠대 애머스트의 야오 준(Jun Yao) 연구팀은 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션스'를 통해 생체 신경세포와 동일한 전압 범위인 약 0.1볼트에서 작동하는 인공 뉴런을 개발했다고 밝혔습니다. 기존 장치 대비 전압은 10분의 1, 전력 소모는 100분의 1로 대폭 낮춘 성과입니다.

박테리아 단백질로 구현한 생체 리듬

초저전압 작동의 비결은 미생물 소재에 있었습니다. 연구진은 세포 밖으로 전자를 전달하는 특성을 가진 지오박터(Geobacter sulfurreducens) 박테리아의 단백질 나노와이어를 이용해 멤리스터를 정밀하게 조율했습니다.

이 스위치는 약 60밀리볼트와 1.7나노암페어 수준의 극미한 신호에서도 켜지며, 신호를 발화한 뒤 스스로 원상 복구됩니다. 이로 인해 생체 신경 특유의 휴지기(refractory period)가 만들어져 신호가 뭉개지지 않고 깔끔한 펄스 형태로 전달됩니다.

화학적 반응성도 갖췄습니다. 뇌는 전기 신호뿐 아니라 화학물질로 정보를 조절하기 때문입니다. 연구팀은 나트륨 센서로 발화 빈도를 제어하고, 그래핀 도파민 센서를 통해 농도에 따른 양방향 반응을 확인했습니다.

실제 세포와의 연동 테스트에서는 살아있는 심근세포를 활용했습니다. 유연한 그래핀 센서망으로 심근세포를 감싼 뒤 관찰한 결과, 정상적인 박동 상태에서는 회로가 조용히 대기하다가 약물로 인해 세포 리듬이 교란되자 즉시 인공 뉴런이 동기화된 펄스를 뿜어내며 반응했습니다.

왜 중요한가

우리는 이번 연구가 무리한 고성능 연산 대신 '생체 적합성'을 최우선에 둔 영리한 접근이라고 평가합니다. 그동안 신경망 모사 칩들은 더 복잡한 계산에만 매달렸지만, 높은 전압 문제를 해결하지 못하면 체내 삽입은 영원히 불가능하기 때문입니다.

무엇보다 체내 삽입형 장치와 웨어러블 헬스케어의 구조를 완전히 바꿀 수 있습니다. 지금까지는 생체 신호가 워낙 미세해 칩으로 읽기 전 반드시 대형 증폭 회로를 거쳐야 했고, 이는 배터리 소모와 발열의 주원인이었습니다. 생체 전압에 직접 반응하는 인공 뉴런을 쓰면 증폭기 없이도 신호를 처리할 수 있어 장치 크기와 발열을 획기적으로 줄일 수 있습니다. 표준 실리콘 공정으로 제작 가능하다는 점도 상용화에 유리합니다.

물론 벤치 위 프로토타입이 당장 인체용 의료기기가 되는 것은 아닙니다. 심근세포 수준을 넘어 실제 뇌 조직 내에서 장기적인 안정성을 유지할 수 있을지, 생체 거부 반응을 어떻게 극복할지는 여전히 검증해야 할 숙제입니다. 하지만 전자 회로가 생체의 고유 언어로 대등하게 말할 수 있게 되었다는 점만으로도 기술적 도약의 가치는 분명합니다.