홍콩과학기술대학, 생체공학 눈 연구...로봇과 맹인에게 시력 제공
홍콩과학기술대학, 생체공학 눈 연구...로봇과 맹인에게 시력 제공
  • 서정만 기자
  • 승인 2020.05.28 16:13
  • 댓글 0
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[퓨처타임즈=서정만 기자] 홍콩과학기술대학(Hong Kong University of Science and Technology)의 연구원들은 광 센서를 반구형 인공 망막에 직접 구축하는 방법으로 새로운 생체공학 눈이 로봇과 맹인에게 시력을 줄 수 있는 연구가 진행되고 있다. 

이를 통해 사람의 눈의 넓은 시야, 반응 및 해상도를 모방할 수 있는 장치를 만들 수 있었다. 이전에 보고된 장치와 비교했을 때 눈에 띄는 점은 많은 감각 기능이 자연적인 감각 기능과 유리하게 비교된다는 것이다.

생체공학의 눈은 시각장애인에게 시력을 회복시키고 로봇 시력을 크게 향상시킬 수 있지만, 현재 시각 센서는 자연 디자인의 인상적인 속성에서는 먼 길이다. 이제 연구자들은 구조를 모방하고 많은 기능을 재현하는 인공 눈을 만드는 방법을 발견했다.

 

눈의 디자인을 강력하게 만드는 데 있어 핵심적인 부분은 모양이지만 가장 흉내내는 것 중 하나이다. 눈의 뒤쪽에 있는 광 수용체가 담긴 조직층인 망막의 오목한 모양은 편평한 렌즈보다 곡면 렌즈를 통과할 때 훨씬 더 많은 빛을 잡을 수 있다. 그러나 이 곡선 센서 어레이를 복제하는 것은 어려운 것으로 판명되었다.

 

대부분의 이전 접근 방식은 평평한 표면에 광 센서를 접거나 곡선형으로 이식하기 전에 광 센서를 제작하는 데 의존했다. 이 접근법의 문제점은 광 센서의 밀도를 제한하고 따라서 생체의 눈의 해상도를 제한한다는 것이다. 평면에서 곡면으로 변환할 수 있도록 센서 사이에 공간이 남아 있어야하기 때문이다.
 

그러나 지난주 Nature에 발표된 논문에서 홍콩과학기술대학(Hong Kong University of Science and Technology)의 연구원들은 광 센서를 반구형 인공 망막에 직접 구축하는 방법을 고안했다. 이를 통해 사람의 눈의 넓은 시야, 반응 및 해상도를 모방할 수 있는 장치를 만들 수 있었다.

 

"구(Gu)와 동료의 인공 눈의 구조적 모방은 확실히 인상적이지만, 이전에 보고된 장치와 비교했을 때 눈에 띄는 점은 많은 감각 기능이 자연적인 감각 기능과 유리하게 비교된다는 것이다."라고 위스콘신 매디슨 대학의 엔지니어인 홍루이 지앙(Hongrui Jiang)은 Nature의 perspective에 글을 썼다.

 

돌파구의 핵심은 포토 센서를 돔형 인공 망막에 이식하는 독창적인 방법이었다. 연구팀은 조밀하게 채워진 나노 규모의 기공이 뿌려진 반구형 산화 알루미늄을 만들었다. 그런 다음 태양 전지에 사용되는 감광성 화합물의 일종인 페로브스카이트(perovskite)로 만들어진 기공 내부에서 나노 와이어를 성장시키기 위해 증착을 사용했다.

 

이 나노 와이어는 감광체의 인공 등가물로 작동한다. 빛이 빛을 통과하면 망막의 뒷면에 부착된 액체 금속 와이어에 의해 포착된 전기 신호를 전송한다. 연구원들은 눈의 앞쪽 역할을 하기 위해 중앙에 렌즈가 있는 알루미늄으로 만든 또 다른 반구를 만들었다. 인간의 눈의 대부분을 구성하는 수성 체액을 모방하도록 설계된 이온성 액체로 그것과 망막 사이의 공간을 채웠다.

 

그런 다음 연구원들은 생체공학 눈을 컴퓨터에 연결하고 일련의 문자를 인식할 수 있음을 보여주었다. 인공 눈으로는 사람의 눈에 대한 130도의 시야를 확보할 수 없었지만 100도를 관리했다. 이는 평면 센서가 얻을 수 있는 약 70도에 비해 상당히 개선된 것이다.

 

그러나 다른 영역에서는 이 접근 방식이 생물학적 눈을 개선할 가능성이 있다. 연구원들은 나노 와이어의 광 검출기가 실제로 훨씬 더 반응성이 있음을 발견했다. 그들은 19.2밀리 초 만에 활성화되었고 23.9밀리 초에 다시 활성화될 수 있는 지점까지 회복되었다. 인간 광 수용체에서의 반응 및 회복 시간은 40내지 150이다.

 

인공 망막에서 나노 와이어의 밀도는 또한 인간의 눈에서 감광체의 10배 이상이며, 이 기술은 궁극적으로 자연보다 훨씬 높은 해상도를 달성할 수 있음을 시사한다.

 

현재 가장 큰 한계는 이러한 광 센서를 배선하는 것이다. 액체 금속 연결부는 현재 나노 와이어보다 2 배 더 넓기 때문에 각각의 광 센서는 많은 광 센서에 연결되며 망막의 뒷면에 100개의 전선을 연결할 수 있다. 즉, 광 센서의 밀도에도 불구하고 눈의 해상도는 100픽셀에 불과하다.

 

연구원들은 자기장을 사용하여 한 번에 단 3개의 나노 와이어에 니켈 마이크로 니들을 연결하는 방법을 고안했지만, 이 과정은 인공적인 망막에 존재하는 수백만 개의 나노 와이어까지 확장할 수 없는 복잡한 수동 과정이다. 그럼에도 불구하고 이 장치는 유망한 개념 증명을 나타내며 곧 자연에서 가장 정교한 디자인 중 하나를 복제할 수 있게 된다.

 

"이러한 발전을 통해 향후 10년 이내에 일상 생활에서 인공 및 생체 눈의 광범위한 사용을 목격할 수 있을 것 같다."라고 지앙(Jiang)은 전한다.

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