인간의 뇌와 컴퓨터를 연결한다...사이보그가 현실로

4차 산업 혁명이 인류를 ‘신세계(新世界)’로 안내하고 있다. 인공지능과 클라우드가 모든 산업의 근간을 뒤흔들고 5세대 통신이 현실과 가상현실(VR)의 경계를 무너뜨린다. 인간 두뇌와 컴퓨터를 연결해 정보를 주고받는 기술도 진화를 거듭한다. 200억개가 넘는 사물의 연결, 급속한 클라우드화, 일상화된 인공지능, 가상화폐와 가상현실의 보편화 등이 특징인 고도의 정보화 사회가 성큼 다가온 것이다. 조선비즈 특별취재팀은 전 세계 곳곳을 돌아다니며 4차 산업 혁명이 이끄는 고도의 정보화 사회, 이른바 ‘매트릭스(matrix)’로 불리는 세계를 집중적으로 취재했다. 진화의 방향을 알면 우리의 대응 방법이 보이기 때문이다.

<제1부 극단의 기술 융합 > ① 인간의 뇌와 컴퓨터를 연결한다...사이보그가 현실로

2030년 직장인 김상범씨는 TV를 보기 위해 쇼파에 앉았다. 김씨는 “영화를 볼까? 예능 프로그램을 볼까?”를 고민했다. 이때 TV가 자동으로 켜지더니, TV가 영화 한 편을 추천했다. 뇌파와 시선 측정 센서가 장착된 TV가 김씨의 감정을 측정하고 분석해 최적의 콘텐츠를 제공한 것이다. TV는 클라우드 서비스를 제공하는 데이터 센터와 연결돼 있다. 이 데이터 센터에는 김씨의 뇌파와 시선 처리, 동공 분석 등에 관한 2년어치의 빅데이터가 저장돼 있다.

지난 7월 28일 서울 역삼동에 위치한 스타트업 룩시드랩스(Looxidlabs) 연구소. 이 회사는 가상현실(VR) 기기를 활용해 뇌파를 측정하고 인간의 감정을 분석하는 솔루션을 개발 중이다.

조안나 룩시드랩스 팀장은 “뇌파를 분석하는 시스템을 이용하면, 사용자의 감정이 긍정적인지 부정적인지, 흥분된 상태인지 아닌지를 알 수 있다”면서 “2030년 김상범씨의 사례는 충분히 가능한 이야기”라고 말했다. 무선 기반의 뇌 통신이 개발되면, 각종 사물들이 사용자의 뇌파를 읽어들여 음성 명령이나 터치 명령 등의 인터페이스 없이도 동작하게 돼 최고 수준의 개인화한 서비스를 제공할 수 있게 된다는 것이다.

▲ 기자가 룩시드랩스 연구실에 방문해 가상현실(VR) 뇌파∙시선 측정 헤드셋을 착용한 뒤 동영상 시청과 연구원의 질문에 답을 하는 모습 /룩시드랩스 촬영

기자는 실제로 이 회사 연구소에서 가상현실 헤드셋을 착용해 봤다. 룩시드랩스가 제공하는 헤드셋에는 8개의 금속 전지판이 붙어 있다. 이 전지판은 이마와 직접 닿아 뇌파를 읽어들이는 센서 역할을 한다. 헤드셋에는 카메라도 탑재돼 있다. 이 카메라는 헤드셋을 착용한 사람의 동공을 촬영하는 데 쓰인다. 사용자의 감정을 정확하게 분석하기 위해서는 시선 처리와 동공 움직임을 분석하는 게 중요하다. 사람은 놀랄 때 동공이 커지고 감정 변화가 일 때 시선이 흔들린다.

기자가 헤드셋을 쓰자, 기자 오른편에 있는 컴퓨터 모니터에 기자의 뇌파가 나타났다. 화면 속에서는 특정 동영상이 재생됐고, 이를 본 느낌을 묻는 문답이 표시됐다. 조 팀장은 “사람은 자신의 정확한 감정을 숨기거나 잘 모르는 경우가 많다"면서 ”뇌파 분석 기술은 말보다는 좀 더 정확한 감정 조사가 가능해 광고나 마케팅 효과를 정확하게 측정하는 데 많이 활용될 수 있다”고 덧붙였다.

뇌와 컴퓨터를 연결해 인간의 능력을 증강시키는 ‘뇌-기계 인터페이스(BMI·Brain Machine Interface)’ 기술이 뜨고 있다. 올해 3월 미국 매사추세츠공대(MIT)가 발행하는 과학기술 전문지 ‘테크놀로지 리뷰(Technology Review)’는 세상을 바꿔놓을 10대 혁신 기술 중 하나로 ‘마비 역전기술(Reversing Paralysis)’을 꼽았다. 마비 역전 기술은 우회 신경 기술로도 불린다. 신경이 손상된 마비 환자들을 위해 뇌에 칩을 이식해 척수를 거치지 않고 뇌의 신호를 손과 다리에 직접 전달하는 것으로 BMI 기술 중 하나다.

BMI는 HMI (Human Machine Interfaces), MMI(Mind ­Machine Interface), BCI(Brain Computer Interface) 등으로도 불린다. ▲뇌 운동영역의 신경신호를 감지 해석하여 실시간 기계제어 명령으로 변환하는 기술 ▲뇌영역에 생체 내·외 정보를 입력시키는 기술 ▲뉴로피드백 기술(뇌파의 측정·분석을 통해 뇌파의 패턴이 건강하도록 스스로 조절하는 훈련 기술) 등이 BMI의 핵심 기술로 꼽힌다.

▲ 지난 10월 피츠버그대에서 열린 백악관 프런티어스 콘퍼런스에서 버락 오바마 미국 대통령(왼쪽)이 척수 손상 환자의 뇌와 연결된 로봇 팔과 악수하고 있다. /백악관 프런티어스 콘퍼런스 홈페이지 캡처

임창환 한양대 생체공학과 교수는 “컴퓨터가 고도의 인공지능을 갖게 되면, BMI는 뇌-기계 인터페이스에서 뇌-인공지능 인터페이스로 진화하게 된다"면서 “생물학적 뇌와 전자 뇌를 결합한 구조의 기계 인간(사이보그)도 충분히 나올 수 있다"고 말했다.

◆ BMI 기술 어디까지 왔나…생각만으로 로봇팔·사물 움직이고 끊긴 신경 되살려

“진짜 사람과 악수하는 느낌이 들었습니다.”

지난해 10월 미국 피츠버그대에서 열린 백악관 프런티어스 콘퍼런스(White House Frontiers Conference)에서 버락 오바마(Barack Obama) 대통령은 나단 코프랜드(Nathan Copeland)씨의 손을 잡으며 이렇게 말했다. 12년 전 교통사고로 척수를 다친 그는 손 하나 까딱할 수 없는 중증(重症) 장애인이다.

나단이 오바마 대통령에게 자신의 손을 대신해 내민 건 자신의 두뇌와 연결된 ‘로봇 팔’이었다. 나단의 머리에 박힌 작은 칩이 뇌에 흐르는 미세한 전극을 감지해 내고 이를 컴퓨터가 분석해냈으며 컴퓨터의 명령으로 로봇 팔이 움직였다.

기적 같은 일을 해낸 건 앤드류 슈워츠(Andrew Schwartz) 피츠버그대 신경생물학과 교수가 이끄는 연구팀이다. 슈워츠 교수는 평생 인간의 생각으로 로봇팔을 움직이는 연구에 몰두해 왔다.

피츠버그대 재활의학과 로버트 건트(Robert Gaunt) 교수는 “코프랜드씨는 자신의 의지로 로봇 손을 움직이고 물건을 집는다. (로봇 손가락 하나하나에 대한 감각이 있기 때문에) 코프랜드씨는 자신의 눈을 가리고도 80% 넘는 확률로 로봇 손이 어떤 손가락을 이용해 물건을 집는 지 알 수 있다”고 말했다.

이 연구팀은 2012년 전신이 마비돼 꼼짝할 수 없었던 환자가 머리에 칩을 이식한 후 생각만으로 로봇팔을 움직여 초콜릿을 집을 수 있는 장면도 연출해 화제를 모았다. 이 환자는 지난 16년간 자신의 사지로 어떤 것도 잡거나 가져올 수 없었다. 하지만 첨단 과학과 의학의 도움으로 제 생각대로 로봇팔을 움직였고 로봇이 자신의 입으로 가져오는 초콜릿의 맛을 봤다.

▲ 전신마비 환자가 생각으로 로봇팔을 움직여 초콜릿을 먹고 있는 모습. /슈워츠 교수 홈페이지 캡처

슈워츠 교수는 조선비즈와의 인터뷰에서 “BMI 실험 결과들은 스스로 몸을 움직일 수 없는 사람에게 독자적인 움직임을 제공해주는 놀라운 발견”이라며 “향후 BMI 기술의 발전은 인간의 삶에 많은 영향을 미치게 될 것”이라고 말했다.

인간의 뇌와 컴퓨터 시스템을 연결하는 실험들은 이뿐만이 아니다. 지난해 10월 스위스 취리히에서는 ‘사이배슬론(Cybathlon)’이라고 하는 ‘사이보그 올림픽’이 세계 최초로 열렸다.

이번 대회에서 가장 눈길을 끈 종목은 ‘뇌로 제어하는 달리기 시합’이었다. 장애인들이 다양한 장비를 머리에 착용하고 뇌파(생각)를 이용해 컴퓨터 내 아바타(선수)를 제어했다. 예를 들어 장애물이 나타났을 때 점프를 생각하면 아바타가 점프하는 식이다. 명령어는 달리기, 회전, 점프 슬라이드가 있다.

▲ 지난해 10월 스위스 취리히에서는 ‘사이배슬론(Cybathlon)’ 대회에 참가한 한 장애인 선수가 뇌파만으로 게임을 하는 종목에 출전하고 있는 모습 /사이배슬론 홈페이지 캡처

미국 듀크대 신경학과 연구진은 몸이 불편한 사람들이 생각만으로 로봇 휠체어를 작동시킬 수 있는 기초 기술을 개발했다. 원리는 간단하다. 원숭이 뇌에 뇌파 측정침을 꼽아 컴퓨터에 데이터를 전송한다. 컴퓨터는 데이터를 해석해 휠체어에 작동신호를 보낸다.

만일 원숭이가 목표 지점까지 가고 싶다고 생각하면, 컴퓨터는 원숭이 뇌 활동에 나타나는 생각을 ‘휠체어 작동’이라는 명령어로 바꿔 휠체어를 이동시킨다. 특히 뇌와 컴퓨터가 무선으로 데이터를 주고 받을 수 있음을 보여줘 학계의 뜨거운 관심으로 받았다.

미국 오하이오 주립대는 전신 마비 상태의 환자의 머리에 ‘뉴로브리지 칩(Neurobridge chips)이라는 '전자칩을 심어, 본인의 생각만으로 손을 들어 올리고 주먹을 폈다쥐는 실험에 성공했다. 환자의 뇌 특정 부위에 삽입된 칩이 머릿속 생각을 감지한다. 이를 컴퓨터 신호로 변환해 환자 팔에 매달린 전극장치에 전달하고 팔 근육에 전기 자극이 가해져 환자 생각대로 팔이 움직인다. 이 기술은 환자가 물컵을 들어 올리거나 숟가락을 집고, 수화기를 들어 귀에 갖다댈 수 있는 상황으로까지 발전했다.

뇌파를 읽어 글자나 모니터로 출력하는 기술도 화제를 모으고 있다. 지난 2012년 미국 스탠퍼드대 연구팀은 뇌파를 감지해 글자로 전환하는 장치 ‘아이브레인(iBrain)’을 선보였다. 전신 마비의 환자가 생각만으로 글자를 입력할 수 있는 세상이 온 것이다. 이 장치는 천재 물리학자 스티븐 호킹(Stephen Hawking)의 생각을 모니터로 보여줘 화제를 끌기도 했다.

▲ 한 전신마비 환자가 머리에 ‘뉴로브리지 칩(Neurobridge chips)이라는 '전자칩을 심어, 본인의 생각만으로 손을 들어 올리고 주먹을 폈다, 쥐는 실험을 하고 있다. /미국오하이오 주립대 홈페이지 캡처

최근에는 BMI 기술이 인간의 신경을 복구시켜주는 ‘뇌 임플란트(Brain implant)’ 기술로 발전하고 있다. 치아가 빠진 자리를 인공 치아인 임플란트가 대신하듯, 손상된 뇌의 뉴런(neuron) 일부를 전자칩으로 대체하는 것이 뇌 임플란트다. 이 기술은 치매 등 뇌의 특정 기능이 손상된 경우 치료법으로 활용할 수 있다.

전황수 한국전자통신연구원 책임연구원은 “뇌 임플란트 기술이 고도화하면, 뇌가 특정 근육에 직접 보내는 신경 통로(Nerve bypass)를 새로 구축할 수 있게 된다"면서 “뇌 임플란트는 뇌 손상으로 신체를 제대로 쓰지 못하는 사람들에게 새 희망이 될 것"이라고 말했다.

◆ 뇌를 다운받아 영생을 꿈꾸는 ‘현대판 진시황’ 청사진도...최신 물리학도 1분이면 끝?

영화 매트릭스(The Matrix)에선 매트릭스 프로그램을 이용해 인간 뇌세포에 각종 데이터를 입출력하는 장면이 나온다. 주인공 네오는 무술 대련에 앞서 각종 무예 데이터를 그의 두뇌에 입력한다. 데이터를 주입 받은 그는 이소룡 못지 않은 쿵푸 실력을 자랑한다. 여주인공 트리니티는 원격으로 헬기 조종술을 업로드해 실재 세계에서 프로 헬기 조종사가 된다.

과연 인간의 뇌에 데이터를 업로드하고 다운로드할 수 있을까. 실제로 이런 말도 안되는 공상에 도전장을 낸 사람이 있다. 전기자동차 테슬라의 창업자인 일론 머스크는 지난 3월 인간의 뇌에 컴퓨터 칩을 심어 데이터를 주고받는 기술을 연구하는 기업 ‘뉴럴 링크(Neural Link)’ 설립을 공식발표했다.

▲ 컴퓨터 시스템과 인간의 뇌가 연결돼 데이터를 주고받을 수 있는 매트릭스 시스템 /영화 매트릭스 캡처

뉴럴링크는 뇌와 컴퓨터를 연결하는 ‘뉴럴 레이스(Neural Lace)’를 개발하고 있다. 초소형 인공지능 칩(Al Chip)을 인간의 뇌 겉 부분인 대뇌 피질에 이식한 뒤, 이 칩을 이용해 인간의 생각을 업로드, 다운로드할 수 있다는 게 뉴럴링크 측의 설명이다. 특정한 정보를 저장해 인간의 두뇌 속에 주입하거나 기억하고 싶지 않은 트라우마를 두뇌 속에서 제거할 수도 있다는 것.

세계적인 미래학자 레이 커즈와일(Ray Kurzweil)은 작년 미국 시애틀의 포스트백 (Tune Postback)행사에서 “2030년대에는 사람이 클라우드에 뇌를 연결해 1초만에 1만개 데이터를 처리할 수 있을 것”이라고 말했다. 그는 자신의 저서를 통해 “이미 인류는 기계가 신체를 보조하는 단계인 ‘트랜스휴먼(TransHuman)’ 단계에 이르렀다”고 주장하기도 했다.

김래현 한국과학기술연구원(KIST) 바이오닉스연구단 연구원은 “뇌에 데이터를 입력하는 세상이 온다면 힘들게 공부를 해서 지식을 충전할 필요가 없는 세상이 올 것”이라며 “영어나 수학, 코딩을 배우고 싶다면 학원이 아닌 마트에 가서 전문가의 지식이 들어간 지식데이터를 구입하면 될 것”이라고 말했다.

레이 커즈와일과 일부 전문가들은 인간의 생각과 기억을 전자칩에 분리·저장할 수 있게 되면 신체의 의미가 사라진다고 주장한다. 최첨단 실험실에서 배양된 젊고 건강한 몸(샘플)에 자신의 기억을 전자칩에 담아 이식하는 방식으로 영생(永生)도 가능해진다는 것이다. 방법은 의외로 간단하다. 사람의 기억은 뇌에 있는 ‘해마(海馬)’가 담당한다. 이 해마를 전자칩으로 교체하면 된다.

손정우 대구경북첨단의료산업진흥재단 책임연구원은 “아주 먼 미래에는 인간이 뇌로 의사 결정을 하고 또다른 육체나 로봇이 행동하는 아바타의 시대가 올 수도 있다”며 “그동안 신의 영역으로 간주됐던 인간의 뇌 기능을 전자칩으로 구현하는 연구가 활발히 진행되면서, 영화 속 얘기가 과학적으로 검증가능한 시기가 다가오고 있다"고 말했다.

물론 반론도 많다. 뇌의 특정 부위가 어떤 식으로 작동하는지 제대로 밝혀지지 않은 상태에서 컴퓨터 칩을 이식한다면 거부반응이나 부작용 등 부정적인 상황이 우려된다는 것이다. 윤리적 문제도 있다. 뇌에 심은 컴퓨터 칩 역시 해킹 위험에 노출돼 있다. 뇌와 연결된 칩이 해킹 당하면 뇌 자체도 손상될 수 있다. 인간이 전자뇌에 너무 의존할 경우 대화 등 전통적인 의사소통을 위축시킬 우려도 있다.
조선일보