손상에도 스스로 회복하는 ‘지능형 신경보철 시스템’ 개발

- 손동희 교수, 서울대 김대형 교수 공동연구팀, 신축성·자가치유 전극 기반의 폐루프 신경보철시스템 구현

- AI 신호처리와 결합해 말초신경 자극 및 로봇 제어까지 성공

▲(왼쪽부터) 손동희 교수, 서울대 김대형 교수, 강규민 김예원 박사과정생 및 세종대 구자훈 교수

전자전기컴퓨터공학과 손동희 교수 연구팀과 서울대학교 화학생물공학부 김대형 교수 연구팀과 공동으로, 손상이나 반복 피로에도 스스로 성능을 회복할 수 있는 ‘지능형 폐루프 신경보철 시스템(C-PROSTHESIS)’을 개발했다.

폐루프 신경보철 시스템이란 인공 감각·운동 신호를 실시간으로 주고받으며, 외부 자극에 맞춰 자동으로 동작을 조정하는 신경보철 시스템을 말한다. 이번에 개발된 시스템은 신축성과 자가치유 기능을 갖춘 신경전극, 머신러닝(ML) 기반 실시간 신호처리 기술, 성능 자가회복 메커니즘을 통합한 폐루프(closed-loop) 플랫폼으로, 기존 신경보철 기술의 내구성과 정확도 한계를 동시에 극복했다는 평가를 받고 있다.

기존 신경보철 시스템은 신경 손상 환자의 감각 및 운동 기능 회복에 필수적이지만, 착용이나 이식 과정에서 반복되는 기계적 손상과 피로로 인해 전기적 성능이 저하되는 문제가 있었다. 특히 체내 이식형 시스템에서는 장기간 안정적인 작동을 위한 자가치유 기술과 머신러닝 기반 피드백 기술의 결합이 미흡한 상황이었다.

연구팀이 개발한 자가치유 신축성 전극(SSB 전극)*은 외부 손상이나 반복적 피로 상황에서도 전기 신호의 경로를 스스로 재구성해 빠르게 성능을 복구할 수 있으며, 머신러닝 기반 알고리즘은 누적 손상에도 즉각적으로 신호 오류를 감지하고 교정할 수 있다.

* 자가치유 신축성 전극(SSB 전극): 외부 손상이나 피로로 단절된 전기적 경로를 스스로 재구성하며, 생체조직과 유사한 신축성과 자가치유 특성을 가진 전극

이를 실증하기 위해 연구팀은 로봇 팔에 인공 촉각 센서를 부착하고, 말초신경 전극을 설치류 모델에 이식해 감각-운동 피드백 실험을 진행했다. 그 결과, 4주간 이식 상태에서도 안정적인 동작을 유지했으며, 극단적인 전극 절단·변형 상황에서도 로봇 제어와 생체 신호 전달이 정상적으로 이뤄졌다.

▲ 외부 손상과 장기간 사용에도 사용가능한 성능 자가회복형 폐루프 신경보철 시스템 개요

손동희 교수는 “이번 연구는 체내·외 환경 모두에서 견딜 수 있는 신경보철 시스템의 실질적 해법을 제시한 것으로, 향후 정밀한 환자 맞춤형 기능 회복 기술로 확장할 수 있을 것”이라며, “생체전자소재, 로봇, AI 신호처리 기술의 융합을 지속해 나가겠다”고 밝혔다.

이번 연구는 김예원·강규민 박사과정생, 세종대학교 구자훈 교수가 공동 제1저자로, 손동희 교수와 김대형 교수가 교신저자로 참여했다. 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 바이오·의료기술개발사업, 기초과학연구원, 네이버 디지털 바이오 과제의 지원을 받아 수행됐으며, 세계적 학술지 Advanced Materials(IF: 26.8) 6월 27일자 온라인판에 게재되었다.

※ 논문명: Performance-Recoverable Closed-Loop Neuroprosthetic System

※ 학술지: Advanced Materials

※ 논문링크: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202503413