Bio

과학자들이 뉴로모픽 칩을 훈련시키는 혁신적인 방법을 고안했다. 뉴로모픽 칩은 인간 두뇌의 구조를 기반으로 하는 컴퓨팅 장치다.  독일 에인트호번 공과대학과 미국 노스웨스턴대학 연구진이 외부 훈련 없이 온칩 학습이 가능한 새로운 뉴로모픽 바이오센서를 개발했다. 개념 증명으로 연구자들은 바이오센서를 사용하여 땀 샘플을 기반으로 낭포성 섬유증을 진단했다. 논문은 Nature Electronics에 게재됐다.  연구팀이 개발한 “스마트 바이오센서”는 뉴로모픽 바이오센싱 컴퓨터다. 이 컴퓨터는 뉴런이 인간 두뇌의 다른 뉴런과 통신하는 방식에서 영감을 얻어 작동하는 장치다. 헬스케어 장치에서 실제로 사용하려면 뉴로모픽 기술은 낮은 전력 요구 사항, 센서와의 인터페이스 및 사용 훈련이 용이해야 한다. 이 중 처음 두 가지는 유기 기반 전자 장치로 해결할 수 있다. 그러나 후련 부분은 핵심 문제였다. 지금까지 뉴로모픽 칩의 신경망은 외부 소프트웨어를 사용하여 훈련되었는데, 이는 시간이 많이 걸리고 에너지가 비효율적일 수 있는 프로세스다. 연구팀은 “이제 우리의 새로운 칩은 환자 데이터를 실시간으로 처리하여 즉시 학습할 수 있다. 이는 확실히 훈련 과정의 속도를 높이고 실제 대화형 생체 응용 분야에서 칩의 사용을 촉진하는 데 도움이 된다”고 말했다. 연구진은 새로운 칩의 효과를 테스트하기 위해 이를 사용하여 유전병인 낭포성 섬유증을 테스트했다. 낭포성 섬유증은 폐, 소화기 계통 등의 장기에 손상을 줄 수 있는 유전성 질환이다. 이 질병을 테스트하는 기존 방법 중 하나는 높은 수준의 염화물 음이온이 낭포성 섬유증의 지표인 땀 테스트를 이용하는 것이다. 낭포성 섬유증을 테스트하는 데 사용할 수 있는 신뢰할 수 있는 센서가 이미 있으므로 이 테스트를 통해 연구원들은 온칩 학습 센서에 대한 확인하기 쉬운 사례 연구를 얻을 수 있었다. 연구진의 뉴로모픽 바이오센서는 센서 모듈, 하드웨어 신경망, 출력 분류 부분의 세 가지 주요 부분으로 구성된다. 땀 한 방울을 센서 모듈에 추가한 후 이온 선택형 전극을 통해 땀 속의 염화물 및 기타 이온 농도를 감지한다. 그런 다음 이러한 신호는 뉴로모픽 칩 자체에 의해 처리된다. 마지막으로 분석 결과는 각각 부정적인 결과 또는 긍정적인 결과를 나타내는 녹색 또는 빨간색 표시등으로 표시된다. 주요 땀 샘플을 평가하기 위해 칩을 사용하기 전에 신경망은 지도 학습을 받아야 했다. van Doremaele는 “우리는 다양한 이온 농도와 알려진 이온 농도를 가진 다수의 땀 샘플을 생성한 후 칩에서 샘플을 테스트했다. 테스트용 칩의 결과가 잘못된 경우 칩을 수정하여 신경망의 노드 간의 가중치를 수정했다”며 “중요한 것은 우리가 하드웨어 자체에서 칩을 훈련시킨다는 것”이라고 말했다. 이는 이 연구의 주요 발전이다. 외부 소프트웨어가 없이 칩에서 신경망을 훈련할 수 있는 능력이다. van Doremaele는 “칩이 관심 문제(여기서는 땀 샘플에서 낭포성 섬유증 감지)에 대해 훈련되면 더 이상 외부 제어나 개입이 필요하지 않다”고 덧붙였다. 또한, 훈련을 받은 경우에도 칩을 다른 문제에 사용할 수 있다. 그는 “스마트 의수나 팔에 동일한 신경망 하드웨어를 사용할 경우 손이나 팔의 움직임에 대한 정보를 사용하여 신경망을 재훈련하기만 하면 된다”고 설명했다. staff writer