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새로운 시력으로 이어질 수 있는 새로운 칩 디자인

새로운 시력으로 이어질 수 있는 새로운 칩 디자인

수십 년 동안 과학자들과 안과 의사들은 개발을 위해 노력해 왔습니다. 시각 장애가 있는 사람들에게 시력을 되돌려주는 인공 눈 그리고 "생체 공학적 눈"에 대한 생각은 일리노이주 휘튼에 있는 Optobionics와 같은 많은 회사에서 첫 번째 단계를 밟았습니다. 인간 눈의 특정 부분과 기능을 모방할 수 있는 작은 마이크로칩, 눈 뒤쪽에 있는 망막에서 빛을 전기 자극으로 변환하는 센서. Va.는 인간의 눈 뒤쪽 망막의 전체 신경 시스템을 실제로 모방할 수 있는 칩을 개발하고 있다고 믿고 있습니다. 잠재적인 인공 눈의 중심에는 셀룰러 비선형 네트워크라고 불리는 잘 알려진 칩 설계가 있습니다. 또는 CNN 칩에서는 개별 컴퓨터 회로가 체커보드 배열로 서로 연결됩니다. 각 연결에는 칩이 이미지에 노출될 때 각 회로의 관계를 "설명"하는 수학적 "가중치"가 부여될 수 있습니다. 데이터를 수집하면 사진의 각 픽셀 또는 빛의 점이 칩의 ​​특정 셀로 전송됩니다. 그러면 수학적 알고리즘이 각 연결의 가중치를 조작하여 다양한 결과 이미지를 생성할 수 있습니다. 또 다른 알고리즘 세트는 모서리를 찾을 수 있고, 다른 세트는 윤곽선을 정의할 수 있습니다. 수십 년 동안 과학자와 안과의사는 시각 장애가 있는 사람들의 시력을 회복하기 위해 인공 안구를 개발하기 위해 열심히 노력해 왔습니다. 이제 이러한 "생체공학적 눈"을 개발하려는 꿈이 곧 실현될 수 있습니다. 일리노이 주 휘턴에 있는 Vision Bionics와 같은 많은 회사는 눈의 간상체와 원추체와 같은 인간 눈의 특정 부분과 기능을 시뮬레이션할 수 있는 마이크로칩을 개발하는 데 첫발을 내디뎠습니다. , 빛을 전기 펄스 신호로 변환하는 인간 눈의 내부 층. 버지니아 주 알링턴에 있는 해군 연구소의 과학자들은 인간 눈 망막의 전체 신경계를 실제로 시뮬레이션할 수 있는 칩을 곧 개발할 수 있을 것이라고 믿습니다. 곧 출시될 인공 안구의 중심에는 "다공성 비선형 네트워크(Porous Nonlinear Network)", 줄여서 CNN이라고 불리는 잘 알려진 칩이 있습니다.

이 칩에서는 개별 컴퓨터 회로가 체커보드 배열로 서로 연결되어 있으며, 각 연결은 회로 간의 관계를 "설명"하기 위해 수학적으로 "가중치"를 적용합니다. 칩이 이미지 데이터와 접촉하면 사진의 픽셀이나 광점이 칩의 ​​특수 셀로 전송되고 수학적 알고리즘이 각 연결의 가중치를 조작하여 다양한 효과를 생성할 수 있습니다. 한 알고리즘 세트는 이미지에서 객체의 가장자리를 찾는 데 도움이 되고, 다른 알고리즘 세트는 객체의 모서리를 찾고, 또 다른 알고리즘 세트는 객체의 윤곽선을 결정합니다. 나노 전자 공학을 전문으로 하는 해군 연구실의 프로그램 관리자인 Larry Cooper는 CNN 칩이 인공 망막에 사용하기에 이상적인 여러 가지 장점을 가지고 있다고 말합니다. 그 중 하나는 각 회로 간의 연결이 평행하거나 "비선형"이라는 것입니다. ." 이는 각 회로에 대한 계산이 거의 동시에 이루어지며 매우 빠른 이미지 처리가 가능하다는 것을 의미합니다. "칩이 [기능을 처리]하는 데 걸리는 시간은 약 1마이크로초입니다."라고 Cooper는 말합니다. 해군 연구소의 프로젝트 관리자 나노전자공학 전문가인 래리 쿠퍼(Larry Cooper)는 CNN 칩이 많은 장점을 갖고 있으며 인공 망막에 이상적이라고 말했습니다. 장점 중 하나는 각 회로 간의 연결이 병렬 또는 "비선형"이라는 것입니다. 즉, 각 회로에 대한 계산이 거의 동시에 수행되어 이미지 처리가 즉시 완료될 수 있습니다. Cooper는 "이 칩은 [기능을 완료하는 데] 1마이크로초밖에 걸리지 않습니다."라고 말했습니다.

" 또 다른 장점은 칩이 아날로그 프로세서라는 점입니다. 데스크톱 PC에 사용되는 것과 같은 일반적인 마이크로프로세서는 디지털입니다. 그러나 CNN 칩은 우리의 두뇌가 정보를 처리하는 것과 같은 방식으로 정확하지 않은 이미지 값을 사용하여 계산을 수행할 수 있습니다. 아날로그 프로세스 장치. 일반적인 마이크로프로세서는 '1'이나 '0'이라는 숫자값을 처리하는데, 예를 들어 데스크톱 개인용 컴퓨터에 사용되는 마이크로프로세서는 디지털인데, CNN 칩은 부정확한 이미지 값을 계산할 수 있는데, 이는 인간의 두뇌가 정보를 처리하는 방식과 유사하다. .

인공 안구가 작동할 수 있을까요? 그러나 CNN 칩을 인공 눈으로 사용할 수 있는 방법은 여전히 ​​상당히 이론적이라고 CNN 칩에 대한 자체 연구를 수행한 버클리 캘리포니아 대학의 신경생물학 교수인 Frank Werblin은 말합니다. 예를 들어 CNN의 각 레이어는 인간의 눈에 있는 특정 센서 레이어를 모방하는 3차원 배열을 만드는 것입니다. 예를 들어 한 레이어는 가장자리를 선택하고 다른 레이어는 색상을 선택할 수 있습니다. CNN 계산을 수행하는 알고리즘은 잘 알려져 있지만, 문제는 이 모든 것을 인간의 뇌와 연결하는 방법을 찾는 것이라고 Werblin은 말합니다. "눈에는 백만 개의 시신경 섬유가 있으며 각 섬유는 뇌 피질의 특정 부분으로 이동합니다. "라고 Werblin은 말합니다. 그러나 그는 뇌가 이해할 수 있는 이미지를 생성하는 데 얼마나 많은 것이 필요한지, 정확히 어떤 것이 필요한지는 아무도 모른다고 말합니다. 그러나 버클리 캘리포니아 대학의 신경생물학 교수인 Frank Werblin은 CNN 칩에서 다음과 같이 말했습니다. 인공안구 그 응용은 현재 아직 이론적인 연구 단계에 있다. Werblin 자신도 CNN 칩 연구에 참여하고 있으며, 이상적인 응용 분야는 CNN 칩의 각 층이 인간 눈의 광수용체 세포 층을 시뮬레이션할 수 있도록 3차원 배열을 구축하는 것이라고 말했습니다. 예를 들어 CNN 칩의 특정 레이어는 객체의 가장자리를 식별할 수 있고 다른 레이어는 색상을 식별할 수 있습니다. Werblin은 CNN 계산을 수행하는 알고리즘을 모두가 알고 있지만 문제는 이 모든 것을 인간의 두뇌에 연결하는 방법을 찾는 것이라고 말했습니다. "인간의 눈에는 수백만 개의 시신경 섬유가 있으며, 각 섬유는 대뇌 피질의 특정 위치로 연결됩니다."라고 Werblin은 말했습니다. 그러나 인간의 뇌가 이해할 수 있는 이미지를 생성하는 데 얼마나 많은 시신경 섬유가 필요한지는 아무도 모릅니다. 그는 말했다.

그리고 실리콘 칩을 인간의 신경 세포에 연결하는 방법에 대한 의문이 여전히 남아 있습니다. 이 과정은 Optobionic의 인공 광 센서와 같은 훨씬 간단한 칩으로 시도되고 있는 과정입니다. 식품의약청(FDA)의 승인을 받은 임상 시험에 따라 6명의 환자의 망막에 마이크로칩을 삽입했습니다. 그러나 칩이 얼마나 잘 작동하는지에 대한 실제 결과는 올해 말까지 다른 과학자의 검토를 위해 공개되지 않을 것입니다. 이것이 실리콘 칩을 인간의 신경 세포에 연결하는 방법입니다. 이제 연구자들은 "시각 생체 공학" 인공 광 센서와 같은 더 간단한 칩을 사용하여 이 연결 과정을 시도하고 있습니다. Vision Bionics의 CIO인 David McComb은 이 마이크로칩을 6명의 환자의 망막에 성공적으로 이식했으며, 이 임상시험은 미국 식품의약국(FDA)의 승인을 받았다고 말했습니다. 그러나 이러한 이식된 칩의 진정한 효능은 다른 연구자들이 연구할 수 있도록 올해 말까지 발표되지 않을 것입니다. 그리고 Werblin과 Cooper에 따르면, CNN 칩이 인간에게 이식되기까지는 아직 상당한 시간이 걸릴 것입니다. 현재로서는 대부분의 CNN 칩이 너무 커서 약 1~2평방인치 정도이고 너무 많은 전력이 필요합니다. 그러나 Werblin과 Cooper에 따르면 CNN 칩이 인간의 눈에 이식되기까지는 상당한 시간이 걸릴 것이라고 합니다. 현재 대부분의 CNN 칩은 약 1~2평방인치로 너무 크며 눈에 저장하기에는 너무 많은 전력이 필요합니다. 하지만 인공 안구를 사용하여 시력을 회복할 수 있다는 가능성은 점점 더 분명해지고 있습니다. "몇 년 전만 해도 모든 사람들은 이것이 스타워즈의 굉장한 일이라고 생각했습니다."라고 안과의사이자 실명 퇴치 재단의 최고 과학 책임자인 Gerald Chader 박사는 말합니다. 그러나 더 많은 임상 시험과 연구가 진행되었습니다. Chader는 어떤 형태의 칩 임플란트가 5~10년 안에 시력 저하를 개선하는 데 도움이 될 가능성이 매우 높다고 말했습니다. "지난 몇 년 동안 진전이 있었습니다. 우리는 그런 일이 있을 것이라는 많은 희망을 갖고 있습니다." 실명 퇴치 재단의 최고 과학 책임자이자 안과의사인 Gerald Chader 박사는 다음과 같이 말했습니다. "몇 년 전만 해도 모든 사람들은 인공 안구를 통해 시력을 회복하는 것이 단지 공상적인 일이라고 생각했습니다.

"그러나 더 많은 임상 시험 연구가 수행됨에 따라 향후 5~10년 내에 어떤 형태의 칩 이식이 시각 장애 환자의 상태를 개선하는 데 도움이 될 수 있을 것"이라고 Chader는 말했습니다. 지난 몇 년 동안 우리는 미래의 성과에 대한 높은 기대를 갖고 있습니다.