“3만분의 1 전력이면 충분”… 초저전력 웨어러블 플랫폼 등장

 

착용형(웨어러블) 로봇이나 로봇의수, 로봇의족 등의 보조기기 등의 다양한 인체 착용형 로봇 장치가 실용화 수준에 도달하면서, 신체 움직임이나 심박수 등 생체 정보 모니터링 할 수 있는 기술의 필요성도 점차 높아지고 있다. 그러나 기존 기술은 센서, 연산, 디스플레이 기능이 개별적으로 동작해 시스템이 복잡하고, 데이터 처리 지연이나 전력 소모가 크다는 문제가 있었다.

 

이런 가운데 기존 스마트워치보다 전력 소모가 3만 배 이하로 낮출 수 있는 기술이 새롭게 개발됐다.

 

한국연구재단은 연세대 박철민 교수, 고려대 왕건욱 교수 공동팀이 센서-시냅스-디스플레이 기능을 단일 소자로 융합한 ‘초저전력 뉴로모픽(뇌신경구조) 기반 일체형 AI 디스플레이 소자 플랫폼을 개발했다고 25일 밝혔다. 스마트워치 등의 기존 웨어러블 장치의 성능을 크게 높일 수 있는 것은 물론, 로봇기술 발전 등에도 큰 보탬이 될 것으로 기대된다.

 

연구팀은 생체 신경망을 모방한 뉴로모픽 기술과 데이터를 단말기에서 실시간 처리하는 기술, 이른바 ‘엣지 컴퓨팅’ 방식을 적용하고, 생체정보 수집 기술의 필수 조건인 센서, 시냅스, 디스플레이 기능을 단일 소자로 융합한 초저전력 AI 디스플레이를 개발했다.

 

연구진이 이 과정에 주목한 것은 전기화학발광 이온겔(이온의 이동성을 유지하면서도 기계적 유연성을 갖는 반고체 상태의 전해질 소재)과 유기전기화학 트렌지스터(전해질과 유기 반도체가 결합된 트랜지스터, 낮은 전압에서 큰 전류 변화를 유도할 수 있어 센서 등 소자로 쓰인다) 기술이다.

 

연구진은 두 기술을 접목해 저전력 센서로 만든 다음, AI와 디스플레이 소자를 합쳐 새로운 뉴로모픽 소자로 만들었다. 인공신경망을 통해 입력 자극을 실시간으로 학습하고 결과를 빛의 강도와 색상으로 출력할 수 있다. 이렇게 개발한 일체형 AI 디스플레이의 전력 소모는 극도로 낮았다. 보통 1W(와트) 수준의 전력소모를 나타내는 스마트워치에 비하면 3만 분의 1정도로 측정됐다.

 

연구팀은 이렇게 만든 센서장비를 이용해 사람의 관절 움직이미나 심장박동을 모니터링 하는데도 성공했다. 사람이 관절을 움직일 때마다 빨강·초록·파랑 불빛이 점점 밝아지는 방식으로 움직여 사용자 동기 유발 효과 역시 기대할 수 있었다. 또 심박을 측정하고 이상 패턴을 분석해 정상은 빨간색, 경미한 이상은 초록색, 심각한 이상은 파란색 등으로 표시하도록 만드는데도 성공했다.

 

박철민 교수는 “기존 웨어러블 시스템의 높은 전력 소모와 복잡한 구조적 한계를 극복했다”며 “건강 상태 모니터링뿐만 아니라 로봇 감각 피드백, 스마트 센서, IoT 기반 AI 디바이스 등 다양한 분야로 활용될 수 있다”고 말했다.

 

이 연구성과는 재료 분야 국제학술지 ‘네이처 머티리얼스(Nature Materials)’에 2월 24일자로 게재됐다. 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노·소재 기술 개발사업과 중견연구 사업의 지원을 받았다.

 

 

 

▲ 연세대-고려대 공동 연구진이 개발한, 인공신경망 학습을 활용한 심박 시각화 모니터링 개념도 및 구동 결과. '가'는 인간 심박 신호 종류 및 클래스 분류한 모습. '나'는 시냅스 소자 기반 인공지능 SNN 학습 흐름도를 나타낸다. 전기적 시냅스 특성으로 학습을, 광학적 시냅스 특성으로 출력을 진행한다. '다'는 심박 분류 결과 출력용 전기화학발광 패널 실제 사진이다. '라'와 '마'는 전기화학발광 패널 기반 심박 분류 발광 사진 및 광학적 출력 결과이다.(이미지=연세대 신소재공학과 박철민 교수)

 

전승민 기자 enhanced@irobotnews.com

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