미래의 사이보그가 걸어온다

두뇌와 컴퓨터를 연결하는 BCI 연구, 바이오 로봇으로 결실 맺을 수 있을까… 신축성이 뛰어나고 전원 연결장치 없이 움직이는 인공근육 개발도 무르익어

▣ 대전=김수병 기자 [e-mail]

만일 생쥐의 움직임을 조절할 수 있다면…. 한국과학기술원 바이오시스템학과 정재승 교수는 ‘사이보그’와 ‘바이오 로봇’ 등을 설명할 때 곧잘 ‘생쥐의 길찾기’에 대한 질문을 던진다. 생쥐가 계단을 올라 구불구불한 길을 따라 목적지에 도달할 방법을 생각해보라는 것이다.

여기에서 주파수를 이용해 원격지에서 제어한다거나 자극기로 뇌에 충격을 준다는 대답을 한다면 해답에 가까이 다가선 셈이다. 일부 연구자는 생쥐의 콧수염 자리에 자극기를 달아 쾌락중추를 자극하는 식의 ‘보상 학습’으로 원하는 길로 유도하는 실험에 성공한 바 있다. 이 실험은 뇌의 정보처리 능력을 분석해 모델링하는 방식을 설명하는 데 곧잘 등장한다.

뇌와 컴퓨터가 같은 구조의 언어 사용

이런 쥐의 길찾기 실험은 다양하게 활용할 수 있다. 당장 군사적인 활용도가 무궁무진하다. 예컨대 적의 진지나 극한 환경을 탐색하도록 하거나 움직이는 폭약으로 이용할 수 있다. 장기적으로는 사람의 두뇌와 컴퓨터를 연결하는 ‘뇌-컴퓨터 인터페이스’(BCI·Brain Computer Interface) 연구에 적용할 게 틀림없다. 생쥐의 신경처리 시스템을 사람에게도 적용할 수 있기 때문이다. 정재승 교수는 “뇌와 컴퓨터가 같은 구조의 언어를 사용하고 있다. 시냅스와 뉴런이 뇌 기능을 수행하는 과정은 컴퓨터의 연산처리 기능과 유사하다”면서 “뇌로부터 신호를 받아서 분석하고 소통하는 마이크로프로세서를 만들 수 있다”고 말한다.

그렇다면 BCI 기술이 꿈꾸는 세상은 무엇일까. 무엇보다 생명현상을 재현하는 기계장치의 개발을 기대할 수 있다. 현대판 노아의 방주로 불리던 줄기세포의 자리를 BCI 기술이 대신할 수도 있다는 말이다. 그것만이 아니다. 로봇공학이 기계와 생명의 경계를 자유롭게 넘나드는 사이보그를 잉태할 토대를 만들기도 한다. 전남대 기계시스템공학부 박종오 교수는 “미래 과학기술의 강력한 원동력으로 꼽히는 컴퓨터와 생명공학, 나노기술 등이 융합된 로봇공학을 통해 사이보그가 탄생될 것”을 예견하며 “인체조직과 유사한 고분자 재료 등의 유기물이 로봇 재료로 쓰이면서 인체에 집적되는 로봇이 대세를 이룰 것”이라고 덧붙였다.

그동안 사람과 동물을 대상으로 하는 뇌와 컴퓨터 사이의 인터페이스가 다양한 방식으로 구현됐다. 쥐의 길찾기 실험만 해도 뇌와 연결된 컴퓨터를 통해 생각만으로 소형 휠체어를 운전하는 실험으로 이어졌다. 한림대 의대 신형철 교수팀은 쥐의 수염이 감지한 정보가 들어오는 체감각피질에 전극을 꽂은 뒤 컴퓨터에 연결해 뇌에서 나오는 신호로 모터를 작동시키는 실험에 성공했다. 뇌의 신경세포에서 나오는 미세한 신호를 컴퓨터가 분석해 모터를 조작하도록 설계한 것이다. 이런 실험은 몸을 움직이지 못하는 장애인이 생각만으로 휠체어나 인공 손발을 움직이게 하는 데 이바지할 것으로 기대를 모았다.

하지만 뇌와 연결한 컴퓨터를 미세한 신경칩으로 만들어 인체에 삽입하기는 쉽지 않았다. 컴퓨터를 제어하기 위해 인체에 전극을 삽입하는 기술에 대한 거부감이 높았기 때문이다. 지난 1998년 미국 에모리대학 신경의학자 필립 케네디가 죽어가는 전신마비 환자의 운동피질에 원추형의 전극장치를 이식했다. 당시 연구진은 환자의 다리에서 뽑아낸 신경조직을 삽입물에 넣어 뇌 조직과 융합하는 데 성공했지만 의사표시를 돕는 데는 실패했다. 뇌의 정보처리 알고리즘을 알아내더라도 완전한 형태에 이르기 어렵고, 이를 마이크로칩에 구현하는 데도 크기의 문제를 해결할 방도가 마땅치 않았기 때문이다.

이에 따라 연구자들은 컴퓨터와 인간의 뇌 사이의 직접 통신을 시도하기 이전 단계로 영장류 실험에 나섰다. 원숭이의 몸에 특정 물질을 삽입해 원숭이의 생각을 읽고 생동의지를 파악하려는 것이었다. 미국 노스캐롤라이나주 듀크대 신경생물학자 미구엘 니콜렐리스가 주인공이다. 그는 2000년에 붉은털원숭이의 뇌에 이식한 전극물질로 로봇팔을 움직이는 데 성공한 데 이어 2003년에는 뇌 일부에 미세한 탐침을 이식해 원숭이가 비디오 스크린을 보면서 조이스틱을 움직여 로봇팔을 뻗고 물건을 움켜쥐도록 했다. 탐침에 연결된 컴퓨터 화면에 나타나는 원숭이 뇌의 전기적 패턴을 분석해 마음을 읽었기에 가능한 일이었다.

브레인게이트, 성서의 기적을

이처럼 두뇌에서 발생하는 전지활동을 측정하는 기술이 비약적으로 발달하고 있다. 지난 3월 독일 하노버에서 열린 ‘세빗 전자쇼’에서는 ‘정신적인 타자기’(Mental Typewriter)가 전시되기도 했다. 독일 베를린의 브라운호퍼연구소와 훔볼트대학 의과대 연구진이 공동으로 개발한 이 장치는 컴퓨터의 커서를 마음으로 조정해 메시지를 컴퓨터 화면에 타이핑할 수 있도록 한다. 놀랍게도 전극을 인체에 이식하지 않고도 두뇌에서 발생하는 전지활동을 측정하는 모자를 쓰기만 하면 된다. 사용자가 좌우 팔을 움직이는 것을 상상만 해도 커서가 이리저리 움직인다. 이 장치는 전신마비 환자들이 인공관절을 제어하는 데 쓰일 전망이다.

정말로 전신마비 환자가 생각만으로 인터넷 서핑을 하고 물체를 자유자재로 움직일 수 있을까. 만일 그것이 가능하다면 ‘앉은뱅이가 일어서는’ 성서의 이적에 버금가는 의학적 진보를 기대할 수 있다. 미국 매사추세츠에 거주하는 척수마비 20대 청년 매튜 네이글은 BCI 기술의 미래를 예측하게 하고 있다.

그는 5년 전 칼에 찔려 척수가 절단되는 사고를 당해 전신이 마비됐다. 자신의 힘으로는 아무것도 움직일 수 없는 처지가 된 것이다. 그러다가 2004년에 로드아일랜드 병원에서 BCI 전문기업 사이버키네틱스 뉴로테크놀로지 시스템스사가 개발한 신경 인터페이스 시스템 ‘브레인게이트’(BrainGate)를 이식받았다.

처음 이식한 기기는 1년 뒤 오작동을 일으켜 제거했다. 곧바로 매튜 네이글은 시스템을 보완한 브레인게이트를 재이식받아 재활의 기쁨을 누리고 있다. 그의 브레인게이트는 과학저널 표지(7월12일치)에 등장하는 등 생체공학의 절정을 보여주는 사례로 꼽히고 있다. 사이버키네틱스의 연구개발 최고책임자인 브라운대학 뇌과학자 존 도나휴가 개발을 주도한 브레인게이트는 마이크로미터 단위의 100개의 미소 전극을 포함한 4mm 정도의 알약 크기 센서로 이뤄졌다. 이 장치는 뇌에서 자신이 마음먹은 대로 할 수 있는 운동을 담당하는 운동피질 표면에 이식됐다. 여기에서 전극은 주위의 뉴런으로부터 전기신호를 포착해 환자의 두피에 1인치 정도 돌출한 티타늄 받침대로 전송한다. 전송된 신호는 복잡한 케이블을 타고 컴퓨터에 연결돼 원하는 동작을 이끌어낸다.

이때 브레인게이트를 이식한 매튜 네이글은 원하는 움직임을 상상만 하면 된다. 예컨대 ‘허리를 펴라, 굽혀라’ ‘두 손을 벌려라, 모아라’ ‘팔꿈치를 펴라, 굽혀라’ 등 16가지 동작을 상상만으로 취할 수 있다. BCI 전문가들은 시술에 앞서 척수마비 부상을 당하고 수년이 지나도 뇌에서 팔다리 제어 신호를 찾을 수 있는지 확인하지 못했다. 그런데 매튜 네이글을 비롯한 세 명의 브레인게이트 이식 환자들은 생각할 때마다 다른 패턴을 보이는 뉴런 신호를 내놓아 컴퓨터가 동작에 관련된 데이터를 모으도록 하는 것으로 밝혀졌다. 96개의 채널에서 나오는 대량의 뇌세포 신호를 순식간에 처리할 수 있기에 가능한 일이다.

요즘 브레인게이트는 팔다리의 기능을 잃어버린 전신마비 환자들에게 희망을 안겨주고 있다. 하지만 아직까지는 기기의 안정성이 확보되지 않아 신호처리 능력이 환자에 따라 다르게 나타나고 시간이 지나면서 센서의 효용성이 떨어지는 등의 문제가 나타나고 있다. 그럼에도 브레인게이트가 전신마비 환자들의 도우미 노릇을 할 것은 틀림없어 보인다. 이 기기에 대해 정재승 교수는 “600만불의 사나이 같은 ‘바이오닉맨’을 실현할 획기적인 개발”이라며 이렇게 말한다. “이전까지 뇌-컴퓨터 연결 장치는 좌우 이동만 하는 데 그쳤고, 수개월의 훈련 기간이 필요했다. 이에 견줘 브레인게이트는 좌우에 상하까지 운동하며 별도의 훈련이 없어도 시술 직후 동작을 취할 수 있다.”

로봇팔은 팔씨름에서 이길 수 있나

이렇듯 BCI 기술이 획기적인 진전을 이루면서 사이보그형 바이오 로봇에 대한 관심이 높아지고 있다. 인간과 기계가 직접 연결될 수 있다는 믿음이 생기고 있기 때문이다. 실제로 ‘인공근육’(Artificial Muscles)을 이용한 로봇 팔이 개발되기도 했다. 미국 항공우주국(NASA) 제트추진연구소(JPL)의 물리학자 요세프 바코헨은 적은 양의 전기에 재빠르게 반응해 인체 근육처럼 늘었다 줄어드는 인공 근육을 개발해 구동장치가 없는 로봇에 적용했다. 신축성이 뛰어나면서도 가벼운 재질의 ‘전기활성 고분자’(EAPs·Electroactive Polymers)를 이용한 것이었다. 이 로봇팔은 진짜 근육처럼 탄성을 지녀 자연스럽게 이동할 것으로 기대를 모으고 있다.

하지만 인공 근육이 진짜 근육을 흉내내기는 쉽지 않다. 지난해 3월 미국 캘리포니아 샌디에이고의 한 무도장에서 열린 전기활성 고분자 로봇팔은 17살의 여고생 파나 펠센과 세 차례 팔씨름을 벌였지만 짧게는 3초를 버티지 못하고 쓰러졌다. 무엇보다 전기활성 폴리머가 너무 무거워 힘을 쓰는 데 필요한 전원을 양껏 확보하기 어렵기 때문이었다. 그런데 최근 해결의 실마리를 찾았다. 미 국방부 산하 방위고등연구계획국(DARPA)의 지원을 받는 텍사스대학 나노테크연구소에서 인공 근육 개발 프로젝트를 이끄는 레이 바우만이 에너지 밀도가 높은 알코올이나 수소를 동력원으로 삼아 진짜 근육보다 최대 100배나 강한 인공 근육을 만들었다.

만일 새로운 형태의 인공 근육으로 로봇팔을 만든다면 장기간 활동하면서 진짜 근육처럼 격렬하게 움직일 수 있을 것으로 기대된다. 탄소 나노튜브 전극으로 화학에너지를 전기에너지로 바꾼 뒤 기계적 에너지로 변환하면 인공 근육이 연료전지와 근육의 기능을 동시에 취할 수 있다. 별도의 전원 연결장치 없이 구동하는 셈이다. 이 탄소 나노튜브형 로봇팔은 팔씨름을 연습해 다시 인간에 도전하는 게 목표다. 언젠가는 구동장치가 필요 없는 로봇으로 팔과 다리를 절단한 장애인에게 이식되는 날이 올 수도 있다.

보행로봇 기능을 하는 미국 오서사의 ‘파워 니’(Power Knee)보다 훨씬 인간적인 발걸음을 흉내낼 수 있기에 말이다.

이런 인체를 대신하는 로봇 장치가 ‘바이오 로봇’으로 거듭나려면 완벽한 BCI가 뒷받침돼야 한다. 지금까지 뇌의 정보처리 알고리즘을 알아내 마이크로칩에 이를 구현하는 연구가 활발히 이뤄졌다. 하지만 뇌의 알고리즘에 대한 연구는 완전한 단계에 진입하지 못했고, 마이크로칩의 크기도 획기적으로 개선되지 않았다. 여기에 시제품 수준의 로봇 손과 발도 우리가 기대하는 장치에서 한참 떨어져 있다. 이런 까닭에 전신마비 환자들이 컴퓨터 앞에 앉히는 것마저도 버거운 게 사실이다. 인간과 로봇이 한 몸을 이루는 생체공학적 인간의 동작도 부자연스러울 수밖에 없다. 최초의 바이오닉맨으로 불리는 제시 설리번이 로봇팔을 항상 착용하지 못하는 이유가 여기에 있다.

영리 추구한 연구로 장애인 외면

그동안 바이오 로봇을 향한 획기적인 진전이 있었던 게 사실이다. 하지만 부분적인 기술들이 융합되지 못하면서 장애인들의 바람을 희망사항에 머물게 하고 있다. 연구자들이 지나치게 영리를 추구하거나 군사적 활용도가 높은 곳에 치우치는 탓이라는 지적도 있다. 예컨대 탄소 나노튜브형 인공 근육만 해도 각종 탐사활동에 적용하는 연구가 활발할 뿐, 생체공학적 적용 방법을 찾는 것은 뒷전에 밀려나 있다. 이런 의미에서 정재승 교수의 지적은 시사적이다. “BCI 기술은 전신마비 환자들의 움직임과 의사소통 능력을 크게 높일 수 있다. 하지만 엄청난 예산을 지원하는 집단은 전투기 조종사들이 순간적으로 쇼크를 받았을 때의 사고를 방지하는 데 초점을 맞추고 있다.”

사정이 이렇다 해도 마음으로 움직이는 인공 근육 이식 로봇팔이나 다리가 사람에 장착될 게 틀림없다. 그것이 머나먼 미래의 일이 아니라는 사실을 브레인게이트가 보여주고 있다. 물론 현재의 연구성과에는 한계가 많다. 브레인게이트만 해도 팔과 다리가 어느 공간에 있는지를 뇌에서 파악하지 못한다. 이에 따라 한 번 동작을 취한 뒤에 다음 동작을 하는 데 어려움을 겪는다.

바이오 로봇을 개발하려는 생체공학 연구자들이 뇌의 다양한 신호를 추적하는 이유가 여기에 있다. 인간 진화의 다음 단계는 사이보그일까. 그것은 자연 선택에 의한 것이 아니라 뇌과학의 결실에 의한 비자연적 선택이 될 수밖에 없다.

도움말 주신 분: 한국과학기술원 바이오시스템학과 정재승 교수. 참고 자료: (7월12일치), (8월12일치).

		인공장치들의 성적표

신체와 통합되는 사이보그 형태들은 어떤 수준에 이르렀나

정말로 사이보그가 다가오는 것일까. 만일 사이보그를 떠올리며 텔레비전에서 등장한 생체공학 인간 스티브 오스틴 대령을 생각한다면 여전히 미래에나 가능한 일이다. 하지만 신체의 잠재력을 확장하려고 사용하는 기계장치를 원형으로 여긴다면 우리는 지금 사이보그의 시대에 살고 있다. 이에 따르면 신체의 일부를 대체하는 안경이나 실리콘 유방, 틀니 등도 사이보그의 한 형태다. 심지어 다른 사람과 통화하는 것을 돕는 휴대전화도 사이보그에 속한다. 여기에서는 우리가 생각하는 이상적 형태의 사이보그에 가까운 대표적인 인공 장치들을 살펴보기로 하자. 인체 기관화되고 신체와 통합되는 사이보그 말이다.

인공 심장: 영구적인 기계장치를 이식해 기능을 상실한 인간의 심장을 대체하려는 연구는 1980년대부터 이뤄졌다. 당시 거추장스러운 공기압축기를 환자에 연결한 ‘자빅-7’(Jarvik-7) 같은 장치가 나왔지만 빛을 보지 못했다. 그러다가 미국 아비오메드사가 2001년 플라스틱과 티타늄 재질로 완전 체내 이식형 ‘아비오코르’(Abiocor)를 선보였다.

그해 7월 최초의 이식수술이 이뤄졌지만 결과는 신통치 않았다. 그 뒤 시술을 받은 사람의 생존률도 수개월을 넘지 못했다. 앞으로도 크게 개선될 기미를 보이지 않고 있다.
인공 망막: 망막 질환으로 앞을 보지 못하는 시각장애인들에게 빛을 선물하고 있다. 미국 옵토바이오닉스사가 개발한 인공 망막은 망막 아래에 구멍을 뚫어 칩을 이식한다. 단점은 만족할 만한 시력을 확보하지 못한다는 것이다. 이에 견줘 미국 존스홉킨스대학 월머 눈 연구소가 개발한 인공 망막은 광수용체 구실을 하는 칩이 빛을 감지해 전기 신호로 바꾼 뒤 안경에 달린 스크린에 형상이 나타나도록 한다. 외부 빛을 받아들이는 전극의 수를 늘려 선명도를 높이고 있다. 현재 미국 에너지부와 아르곤 국립연구소 등이 진화된 인공 망막을 개발하고 있다.
인공 다리: 미국 버클리대학 기계공학자 호마윤 자제루니는 다리를 갖춘 로봇 시스템을 개발했다. 이른바 착용형 로봇 시스템으로 불리는 ‘블렉스’(BLEEX)를 이용하면 수km를 지치지 않고 걸으며 엄청난 무게를 운반할 수 있다. 애당초 산업이나 군사적 용도로 설계됐는데 버전이 업그레이드되면서 건강한 사람들도 착용 가능하도록 했다. 인간의 신경 시스템과 비슷한 제어 시스템이 작동해 40여 개의 센서에서 받아들인 데이터를 처리해 균형을 유지한다. 현재 뇌졸중이나 다리 골절로 단기간 장애를 지닌 사람을 위한 장치를 만들고 있다.
인공 손: 미국 루트거스대학의 생체공학자 윌리엄 크라엘리우스가 다중 손가락 인공 손 ‘덱스트라’(Dextra)를 개발했다. 절단부에 있는 근육과 신경이 아직도 제거된 손을 기억하고 있다고 가정하면서 작동한다. 즉 뇌와 팔 근육이 손상되지 않아야 한다. 이 장치에 내장된 컴퓨터는 팔의 절단부 주위에 있는 센서에서 데이터를 수집해 인공 손의 잡기 동작 같은 간단한 동작으로 전환한다. 물론 인공 손의 한계는 명확하다. 아무리 진짜 손처럼 움직이려 해도 부자연스러운 동작을 취하지만 컵을 들거나 내리는 등 몇 가지 동작은 수준급이다.