통각수용체는 조직 손상 가능성이 있는 외부 자극을 감지해 통증 신호를 발생시키는 말초 감각 뉴런이다. 기계적 압력, 열, 화학적 자극 등 다양한 외부 자극은 통각수용체 막에 존재하는 이온 채널의 개폐를 유도하여 막전위를 변화시키며, 생성된 막전위가 시간적으로 누적되어 임계치를 넘을 때에만 발화 형태로 척수를 거쳐 뇌로 전달된다. 이 과정은 단순한 ‘센싱’이 아니라, 자극의 위험도를 선별해 신호 발생 여부를 결정하는 일종의 보호용 게이트로 작동한다.
또한 강한 유해 자극 이후에는 동일한 자극에도 더 쉽게 반응하거나 더 크게 반응하는 과민 반응이 유도되며, 시간이 경과함에 따라 초기 상태로 회복되는 시간 의존적 동역학을 보인다. 이러한 임계응답–감작–회복의 연속적 거동은 생체 통각이 갖는 핵심 기능적 특징이다.
이러한 통각수용체의 동작을 하드웨어로 모방하려는 연구는 로봇, 전자피부(e-skin), 웨어러블 안전 센서처럼 외부 환경과의 즉각적 상호작용이 요구되는 분야에서 점차 중요해지고 있다. 그중 휘발성 멤리스터는 자극에 따라 전도도가 증가하거나 변화하고, 입력이 제거되면 전도도가 자발적으로 이완되는 특성을 가져 통각수용체의 막전위 누적–회복 거동을 자연스럽게 모사할 수 있다. 이 때문에 휘발성 멤리스터 기반 인공 통각수용체 연구가 활발히 진행되어 왔으나, 상당수의 선행 연구는 전기 또는 기계 등 단일 자극에서의 임계응답 재현에 초점을 맞추는 경우가 많았다.
또한, 생체 통각수용체는 본질적으로 다중감각이다. 즉, 서로 다른 감각 입력이 생성 전위를 함께 형성하여 임계치에 영향을 주며, 특히 온도는 TRP 채널 등 특정 이온채널의 활성화를 통해 막 흥분성을 변화시켜 같은 기계 자극도 더 아프게 혹은 더 쉽게 임계치를 넘게 만들 수 있다. 따라서 실제 환경에서 통각의 기능적 의미를 구현하려면, 단일 자극 반응을 넘어 온도 같은 조절 입력에 의해 임계치가 변조되는 polymodal 통각을 하드웨어로 재현할 필요가 있다. 이 지점이 기존 인공 통각 연구에서 상대적으로 충분히 다뤄지지 않았던 핵심 공백이다.
연구팀은 이러한 문제의식에 기반해 TiN/TiOx/ZnO/TiOx/ITO 적층 구조의 휘발 멤리스터를 제안하고, 기계 자극에 대한 통각 임계점이 온도에 따라 변조되는 특성을 구현함으로써 생체모방 소자와 실제 기전 사이의 격차를 줄이고자 했다. 본 구조의 설계 핵심은 금속 필라멘트의 형성에 의존하기보다, 활성층 내 계면에서의 에너지 장벽 변조와 산소 이온/공공의 재분포 동역학을 이용해 스위칭이 발생하도록 유도한 점이다.
이 접근은 자극에 따른 전도도 변화가 점진적으로 누적될 수 있고, 자극 제거 후에는 산소 이온 거동에 의해 도전도가 자연스럽게 회복될 수 있어, 통각수용체의 막전위 누적–이완 거동을 단일 소자 수준에서 모사하는 데 유효했다.
 특히 온도 입력은 이온 이동과 계면 장벽 변화에 직접적으로 관여함으로써, 전도도 변화와 회복 동역학이 온도에 따라 달라지고 결과적으로 온도 조건이 동일 기계 자극에 대한 유효 임계치를 조절하는 다중감각 통각수용체 기능을 하드웨어로 구현할 수 있었다.
연구팀은 소자 수준에서의 통각 동작 재현을 넘어, 압력 센서와 마이크로히터, 신호 처리 회로 및 출력 모듈을 결합하여 인공 통각수용체 시스템을 구성하고, 기계·열 자극이 함께 주어질 때 조건에 따라 경고 출력이 달라지는 다중모달 통각을 시스템 수준에서 성공적으로 시연하였다. 이는 단일 자극 반응에 머물던 인공 통각 연구에서 나아가, 온도에 의해 임계치가 변조되는 통각을 소자–회로–시스템으로 연결해 구현했다는 점에서 의미가 있으며, 생체모방 플랫폼에서 더 광범위한 통증 반응 스펙트럼을 제공하는 선구적 연구를 제시한다.
한편, 본 연구는 최근 국제 학술지 어드밴스트 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)에 최종 게재 승인되었다.

• 형식Research article
• 게재일2026년 01월 (BRIC 등록일 2026-02-04)
• 연구진국내(교신)+국외 연구진
• 분야 바이오·의료융합 > 다학제 융합/복합