내 생각대로 로봇이 척척··· 뇌와 기기를 연결, 4차 산업혁명의 핵심 기술

생각만으로 기계를 제어하는 일은 인류의 오랜 로망이었지만 실현 불가능할 것이라 여겨져왔다. 하지만 과학 기술의 발전으로 꿈은 현실로 다가왔고 그 중심에는 BMI 기술이 있다. BMI 기술은 4차 산업혁명의 핵심기반인 지능화 기술을 선도할 것으로 기대돼 각광받고 있다. 미래 사회에 가장 큰 영향을 미칠 뇌과학·컴퓨터공학의 기술인 BMI의 현주소를 알아보자. 

BMI 기술이란
  BMI(Brain-Machine Interface) 기술은 인간의 두뇌와 기계를 연결해 뇌신경계로부터 신호를 측정·분석해 컴퓨터 또는 외부기기를 제어하거나 사용자의 의사를 외부에 전달하기 위한 모든 기술을 통칭한다. BMI 기술을 이용하면 언어로 표현하거나 신체 동작을 하지 않고 뇌파를 전달하기만 하면 기기를 작동할 수 있다. BMI 기술을 구현하기 위해서는 신경세포를 통해 전달되는 생체 신호를 인식하기 위한 장치가 필요하다. 다음으로 인식한 뇌 신호를 분석해 입출력 장치에 명령할 신호로 바꾸는 과정을 요구한다. 그 결과 사용자는 자신의 의도를 기계의 움직임으로 나타내는 인터페이스를 만들어내게 된다.

BMI 기술 구현 방식
  BMI 기술 구현의 핵심은 뇌파 측정이다. 뇌파 발생 과정에 대해 간략하게 설명하자면 뉴런이 활성화될 때 뇌에는 ‘전기적 폭풍’이 생긴다. 이때 뉴런들은 기본 배열을 가지며 암호화되기 때문에 개개의 활동신호를 파악하지 않아도 뇌파의 의도를 알 수 있다.
  현재 BMI의 뇌파측정 방식은 크게 두 개로 나뉜다. 비침습형과 침습형이다. 단어 그대로 비침습형은 뇌에 직접적으로 칩을 심지 않고 외부에서 간편한 장비를 통해 뇌파를 측정하는 방법이다. 이러한 방식은 간단할지 몰라도 뇌파를 측정하는 과정에 끼어드는 잡음들을 적절하게 제거해야만 정확한 측정이 가능하다. 반면에 침습형은 뇌에 칩을 이식해 대뇌피질에서 직접적인 뇌파를 얻어낸다. 따라서 정보 전달의 효율성이 좋다. 그러나 생체 거부반응을 극복해야 한다는 한계를 갖는다.

공학·의료 등 활동 분야
  BMI 기술은 로봇산업·원격조종·의료산업과 같은 공학·과학분야뿐만 아니라 게임 산업이나 뉴로마케팅과 같은 문화 분야에도 큰 영향을 미칠 것이다. 특히 의료분야에서는 BMI 기술의 실현을 통해 척수손상 환자의 신경조직을 공학적 방법으로 복구하는 등 치료술에서도 큰 변화를 가져오고 있다. 이는 기존의 물리적 인터페이스에서 벗어나 뇌파의 영향을 받고 호소할 수 있는 인터페이스를 정립해 생활 전반에 영향을 미칠 것으로 기대된다.
  기존의 침습형 연구는 주로 동물 실험을 통해 진행됐다. 그중 ‘뇌-컴퓨터 접속 연구’는 영장류를 통해 팔 움직임과 로봇 간의 인터페이스를 확립했다. 연구 초기에는 원숭이가 로봇팔의 동작을 인식하는 것이 불가능했다. 이를 극복하기 위해 가상현실에서 뇌파의 3차원적 추적이 가능하도록 했다. 따라서 단일 뉴런이 여러 모터 매개변수의 인코딩에 기여할 수 있게 됐다.
  연구는 영장류에서 그치지 않고 사람에 대한 연구로 이어졌다. 원래 사람에 대한 연구는 윤리적 문제에 의해 비침습적인 방법이 행해졌다. 하지만 비침습적인 방법은 복잡한 운동 구현이 어렵다는 한계가 존재했고 실제 신체마비 환자에게 동작 능력을 제공하기 위해 침습적 방법을 인체에 구현하기 시작했다.
  대표적인 예로 미국 페인스타인 의학 연구팀은 AI 알고리즘을 이용한 전극칩을 머리에 삽입해 운동능력을 회복하고자 ‘뉴럴 바이패스 연구’를 실시했다. 대뇌 운동피질 부위에 신경 전기신호를 읽을 수 있는 전극 칩을 삽입하고 뇌의 전기신호를 디코딩 소프트웨어 컴퓨터로 전송한다. 그리고 움직임을 유발하는 특수전극을 전극 패치로 전송함으로써 손목을 움직이는 것이다.
  하지만 기기의 공간적·효율적 문제로 아직 이 기술이 상용화되기는 이르다. 앞으로 BMI 기술은 안정성 확보와 함께 기기의 정교화·소형화를 중점에 두고 발전하면 획기적인 기술이 될 것 이다.

몸속에 칩심기, 배터리 수명 등 연구과제 많아
  BMI 기술의 문제점은 크게 기술적 문제와 윤리적 문제가 있다. 먼저 기술적 문제로는 신호 변환과 전달 과정에서의 정확도 문제이다. 또한 시스템의 정보 전달량이 적어 짧은 응답시간동안 최대의 정확도를 내기 힘들다. 두 번째로는 생체 적합성 문제이다. BMI를 더욱 발전시키려면 침습형 연구가 필수적이지만 침습형 연구는 생체 적합성 문제를 유발하기 쉽다. 대뇌의 피질에 마이크로 칩을 이식하면 면역반응이 일어나 염증이 생기고 마이크로 칩 주위에 딱지가 생기게 돼 뇌파 측정을 방해한다. 마지막으로 마이크로 칩의 배터리 수명 문제이다. 배터리가 소진됐을 때마다 마이크로 칩을 교체하는 일은 위험한 일이다. BMI가 상용화되기 위해서는 배터리 수명을 수십 년으로 증가시켜야 한다.
  윤리적 문제로는 개인 정보 유출이 있다. 뇌파 전달 과정 중 해킹에 노출되기 쉽기 때문에 BMI에서 얻은 환자의 정보를 보호하는 정책이 필요하다.