中 과학자들, 40초 만에 빛 변화 적응하는 시각 센서 개발

중국 과학자들이 반도체 '양자점'을 사용해 인간의 눈보다 훨씬 빠르게 극심한 빛 변화에 적응하는 혁신적인 시각 센서를 개발했다. 이 생체공학 시각 센서는 인간의 눈이 2분에서 30분 걸리는 명암 적응을 약 40초 만에 완료할 수 있어 차세대 뇌-컴퓨팅 시스템과 자율주행 기술에 획기적 돌파구를 제공할 것으로 기대된다고 7일(현지시각) 사우스차이나모닝포스트(SCMP)가 보도했다.
푸저우대학 연구팀이 7월 1일 미국물리학회의 동료심사 저널 '어플라이드 피직스 레터스'에 발표한 논문에 따르면, 이 시각 센서는 감도 조정 기능을 통해 더 나은 물체 인식과 이미징이 가능하다. 연구팀은 "이번 연구에서 제안된 시각적 적응 기능을 갖춘 센서는 자율주행과 생체공학 로봇공학 같은 인공지능 감지 분야에서 향후 응용에 큰 잠재력을 가지고 있다"고 밝혔다.

이 새로운 비전 시스템은 현재 시스템의 문제점을 극복하여 더 적은 에너지 사용으로 더 빠른 계산을 제공할 수 있다고 연구팀은 설명했다. 기존 머신비전 시스템은 처리 속도를 늦추는 중복 데이터 생성과 높은 전력 소비, 그리고 매우 어둡거나 밝은 조건에서 선명하고 대비가 높은 이미지를 얻는 데 어려움을 겪고 있었다.

인간 시각 시스템은 망막, 시신경, 뇌의 시각 피질이 빛의 극심한 변화에 적응하고 이러한 설정을 기억해 다음에 유사한 조건에 직면했을 때 더 빨리 적응할 수 있다. 인간 시력의 핵심 요소 중 하나는 밝은 빛에 노출되는 동안 빛에 민감한 단백질인 로돕신이 표백되는 것으로, 이는 저조도 시력을 주로 담당하는 광수용체인 간상세포의 민감도를 감소시킨다.
연구팀은 인간 망막이 빛의 자극을 감지하고 적응하는 방식에서 영감을 받아 유사한 적응 행동을 하는 센서를 개발했다. 센서의 핵심은 빛을 전기 신호로 효율적으로 변환하고 극심한 빛 변화에 적응할 수 있는 양자점 또는 작은 반도체 나노결정을 사용하는 것이었다.

연구 저자인 푸저우대학의 예윤 연구원은 미국물리학연구소 보도자료에서 "우리의 혁신은 양자점을 조작하여 스펀지에 물과 같은 전하를 의도적으로 가두었다가 필요할 때 방출하는 데 있다"며 "이는 눈이 어두운 조건에서 빛에 민감한 안료를 저장하는 방법과 유사하다"고 설명했다.

센서는 황화납 양자점을 폴리머와 산화아연 층에 내장하여 구성됐다. 센서를 평가하기 위해 팀은 3층 인공신경망과 함께 일련의 센서로 구성된 비전 시스템을 만들었다.

연구진은 빛 적응 후 결과 장치의 이미지 인식 정확도가 어두운 적응 후 60%, 빛 적응 후 42% 향상되었음을 발견했다. 연구진은 "이 장치는 광범위한 광도 변화에서 명백한 시각적 적응 행동을 보여 인간 시각 시스템의 자기 보호 행동과 유사한 독특한 둔감화를 달성한다"고 말했다.
특히 이 장치는 인간의 망막이 기능하는 방식과 유사하게 계산 부담을 줄이기 위해 빛 정보를 전처리한다고 예윤 연구원이 밝혔다. 연구팀은 "적응형 시각 센서는 극한의 조명 조건에서 머신비전의 신뢰성을 향상시키는 방법을 제공한다"고 강조했다.

이번 연구 성과는 중국이 생체모방 기술과 차세대 컴퓨팅 시스템 개발에서 세계 선도적 위치를 확보하고 있음을 보여준다. 연구팀은 이 비전 장치가 스마트 드라이빙과 보다 인간과 유사한 컴퓨팅 시스템 같은 분야에서 사용할 수 있는 "큰 잠재력"을 가진 차세대 생체공학 비전 장치 개발에 활용될 수 있다고 전망했다.

특히 자율주행 자동차의 경우 터널 진입이나 야간 주행 시 급격한 조명 변화에 실시간으로 적응해야 하는데, 이 기술이 상용화되면 자율주행의 안전성과 신뢰성을 크게 향상시킬 것으로 기대된다. 또한 생체공학 로봇이나 의료용 영상 장비에도 응용 가능해 다양한 분야에서 혁신을 이끌 것으로 전망된다.


신민철 글로벌이코노믹 기자 shincm@g-enews.com