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외부 에너지 없이 자체적으로 기능하는 자연의 전자 장치
  • 전희수
  • 등록 2021-06-11 09:56:29
  • 수정 2021-06-11 10:20:24
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  • 자연계에서 얻을 수 있는 지능형 전자 마이크로 시스템이 개발되었다.

매사추세츠 대학교 애머스트 연구팀은 자생생물처럼 외부로부터 에너지를 공급받지 않아도 정보 입력에 지능적으로 반응할 수 있는 전자 마이크로시스템을 만들었다. 마이크로시스템은 아주 적은 양의 전자신호도 처리할 수 있는 새로운 유형의 전자장치로 구성되며, 주변 환경에서 미량의 공기만 있어도 전기를 발생시킬 수 있는 장치를 갖고 있다.




이 획기적인 연구는 6월 7일 네이처 커뮤니케이션지에 발표되었다. 전기 및 컴퓨터 공학(ECE)의 조교수이자 생물 의학 공학 부교수인 준 야오는 그의 오랜 협력자인 미생물학 분야의 저명한 교수인 데릭 R. 러블리와 함께 연구를 이끌었다.




마이크로시스템에서 두 가지 핵심 구성 요소는 모두 '전자 폐기물'을 생성하지 않는다는 것과 미생물이 재생시키고 생산하는 '녹색' 전자 물질인 단백질 나노와이어로 만들어진다는 것이다. 이번 연구는 인체와 다양한 환경과의 상호 작용에 보다 적합한 지속 가능한 생체재료로 만들어진 미래 녹색 전자제품의 가능성을 예고하고 있다.




미 육군 전투 능력 개발사령부 육군연구소가 이 획기적인 프로젝트를 밝혔다. 육군연구소는 '자급 지능형 마이크로시스템'을 생산에 관한 연구비를 지원하고 있다. 논문의 주 저자인 야오 그룹의 대학원생인 티안다 푸는 "전자공학에 '살아있는' 생체 반응 기능 통합의 실현 가능성을 모색하는 것은 흥미로운 시작입니다. 앞으로 좀 더 발전된 형태를 기대하고 있습니다."라고 Fu는 말했다.




그 프로젝트는 최근 연구의 지속적인 발전을 의미한다. 이미 앞서서 2020년에 이 연구팀은 지구상에서 발견되는 거의 모든 환경에서 계속해서 전기를 생산하는 단백질 나노와이어를 기반으로 한 공기 발전기가 주변 환경/습도에서 전기를 발생시킬 수 있다는 사실을 발견했다. 




또한 야오 박사의 연구소는 단백질 나노와이어가 뇌 계산을 모방하고 생물학적 신호 진폭과 일치하는 멤리스터라고 불리는 전자기기(극소량의 전기신호로도 작동할 수 있는)를 만드는데 사용될 수 있다고 네이처 커뮤니케이션에 보고되었다.




"이제 우리는 이 둘을 하나로 합친다"고 야오밍은 이 결과물에 대해 말했다. "단백질 나노와이어 멤리스터로 구성된 센서와 회로를 구동하기 위해 공기발전기의 전기를 사용하는 마이크로시스템을 만듭니다. 이제 전자 마이크로 시스템은 외부 에너지원(예: 배터리) 없이도 감지 및 계산을 지원하기 위해 환경으로부터 에너지를 얻을 수 있습니다. 살아있는 유기체의 자율성처럼 에너지 자생성과 지능이 갖추고 있습니다.“




이 시스템은 또한 박테리아에서 추출한 단백질 나노와이어인 환경 친화적인 생체 물질로 만들어진다. 야오와 로블리는 수년 전에 로블리에 의해 발견된 마이크로베 지오박터(microbe Geobacter)로부터 공기발전기를 개발했는데, 이것은 공기 중의 습기로부터 전기를 만들어내고 나중에는 인간의 지능을 흉내낼 수 있는 멤리스터를 만드는데 사용되었다.




야오 박사는 "그러므로 기능과 물질 모든 측면에서 우리는 전자 시스템을 생물과 비슷하거나 생물과 비슷하게 만들고 있다"고 말했다.”




"이 연구는 자생적인 지능형 마이크로 시스템을 만들 수 있다는 것을 보여줍니다," 라고 미군 전투 능력 개발 사령부 육군 연구소의 생물 공학 프로그램 책임자인 Albena Ivanisevic이 말했습니다. 




"UMass의 팀은 인공 뉴런을 계산에 사용하는 것을 증명했다. 단백질 나노와이어 멤리스터가 수용 환경에서 안정성을 보이고 추가적인 기능화에 적응할 수 있다는 것은 특히 흥미롭다. 추가적인 기능화는 그것들의 안정성을 증대시킬 뿐만 아니라 육군에게 중요한 센서 및 새로운 통신 양식에 대한 효용성을 확대할 것을 약속한다.“




이 논문은 현지 시간 기준으로 6월 8일 유레카에 게재되었다. 

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