연세대학교 화공생명공학과 조정호 교수는 성균관대학교 에너지과학과 정소희 교수, 서울시립대학교 화학공학과 문홍철 교수와 공동 연구를 통해 인공지능(AI) 반도체 소자를 사용해 사람이 빛을 받아들이는 과정에서 발생하는 동공 반사와 순목 반사를 모사하는 인공 안구 시스템을 최초로 개발했다.

연구진은 생물학적 눈꺼풀, 동공 및 시신경에 해당하는 부분을 솔레노이드 기반 인공 눈꺼풀, 전기 변색(Electrochromic, EC) 소자 그리고 광 반응성 인공지능 반도체 소자(광 시냅스 소자) 기반 뉴런 회로로 대체해 수용되는 빛의 강도를 조절할 수 있는 인공 안구 시스템을 구현한 것이다.

특히, 해당 보철 구현에 있어 빛 인지 및 신호 처리의 핵심 역할을 하는 광 시냅스 소자를 사면체 형상의 인화인듐(InP) 양자점을 산화물 반도체에 내장해 제작했다. 제작된 광 시냅스 소자의 경우 기존 산화물 반도체 기반 광 시냅스(Synapse) 소자에서 달성하기 힘든 장기 억압 특성을 양자점 도입을 통해 구현했다는 점에서 과학적 의의가 존재한다.

인간은 수십 개의 정교한 기관으로 구성돼 있으며, 최근 수십 년 동안 보철 분야는 노화, 부상 또는 질병으로 손상된 생체 장기를 대체할 수 있다는 점에서 활발한 연구가 진행돼 왔다. 

특히 최근에는 인공 보철 중 외부 자극을 인지할 수 있는 보철 구현에 관한 연구가 진행되고 있으며, 그중 인공 안구는 인간이 외부 정보를 수집하는 데 있어 80%를 사용하는 시각을 모사한다는 점에서 특히 많은 연구가 진행되고 있다. 

인공 안구와 관련된 연구들은 빛에 대한 높은 인식률을 달성했지만, 생체 안구처럼 자극-반응 과정을 통해 수용하는 빛의 세기를 조절하는 인공 안구에 관한 연구는 미비한 수준이다.

동공 반사와 순목 반사는 사람의 눈에서 발생하는 다양한 자극-반응 중 빛의 수용과 관련이 있는 대표적인 반응이다. 동공 반사는 망막에 도달하는 빛의 강도에 따라 동공의 직경을 조절해 빛의 강도를 조절하며, 순목 반사는 강한 빛이 들어왔을 때 각막을 보호하기 위해 눈을 깜빡인다. 

이 두 가지 반사를 통해 사람은 수용할 수 있는 빛의 세기에서 적절한 양의 빛을 망막에 도달하게 만들어 물체를 선명하게 인지할 수 있다.

연세대 조정호 교수는 “외부에서 들어오는 빛을 인지하는 기존의 인공 안구 연구에서 더 나아가, 빛을 인지할 뿐 아니라 외부 빛의 강도에 따라 유기적으로 반응하며 광 강도의 자율적 조절이 가능한 인공 안구를 제작한 연구”라며, “외부 자극을 인지할 수 있는 보철 구현에 있어 사람의 생체 반응 체제와 유사하게 구현했다는 점에서 향후 인공지능 반도체 소자 기반 보철 연구의 새로운 방향을 제시했다”고 연구의 의의를 밝혔다.

이번 공동 연구를 진행한 사업단장 정소희 교수는 “해당 연구는 공유결합성 인공원자를 이용해 기존의 광 시냅스 소자가 지니고 있던 문제점을 해결했다는 점에서 인공원자 소재의 새로운 가능성을 확인한 획기적인 연구”라고 평가했다. 

이번 연구는 세계적인 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 생체모방 안구 보철 시스템: 자율 동공 및 각막 반사 모방(A biomimetic ocular prosthesis system: emulating autonomic pupil and corneal reflections-아래 첨부)'란 제목으로 지난 9일 게재됐다.