10년 전 척수가 손상된 버크하트씨가 연구진이 개발한 시스템으로 손의 촉각이 회복돼 작은 물건도 손으로 집을 수 있다./배텔 연구소
미국인 이안 버크하트(28)는 2010년 다이빙 사고로 척추를 크게 다쳤다. 사고 후 팔꿈치와 어깨는 움직일 수 있었지만 손에 감각이 없어 눈을 가리면 연필 같은 작은 물체는 감지할 수 없었다. 미국 배텔 연구소는 “버크하트씨의 뇌에 칩을 심어 손의 감각을 되살리는 데 성공했다”고 최근 국제 학술지 ‘셀’에 발표했다. 이제 그는 커피 머그컵을 들어 올리고 기타도 연주할 수 있다.
사지 마비 환자의 감각을 되살린 이 기술은 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술이다. 뇌에서 나오는 전기신호를 추출·해석하고 이를 활용해 컴퓨터나 외골격 로봇 등 외부 장치를 제어하는 기술이다. 전기차 업체 테슬라 창업자 일론 머스크도 이 분야에 뛰어들며 기술 개발 경쟁이 치열하다. 시장조사 업체 그랜드뷰리서에 따르면 전 세계 BCI 시장은 2022년 17억3000만달러(약 2조원)에 이를 것으로 전망된다. 한국과학기술연구원(KIST) 김래현 박사는 “BCI 기술은 장애인 재활은 물론 일상생활에서도 생각만으로 다양한 기기를 작동시켜 편리함을 가져다줄 것”이라고 말했다.
걷는 상상만으로 로봇 다리 작동
배텔 연구소 연구진은 버크하트씨의 피부를 자극하면 감각 신호가 뇌로 전달된다는 것을 확인했다. 다만 신호가 너무 약해 뇌가 인식할 수 없었다. 먼저 연구진은 뇌에 약 4㎜ 크기의 칩을 이식해 감각 신호를 수집했다. 이 신호는 컴퓨터로 가서 뇌가 반응할 수 있는 수준까지 증폭됐다. 연구진은 버크하트씨 팔뚝에 부착된 전극과 진동을 일으키는 밴드에 증폭된 감각 신호를 전달했다. 이번에는 증폭된 감각 신호가 뇌로 전달돼 버크하트씨가 물체의 감각을 느낄 수 있었다.
KIST 연구진이 개발한 상상만으로 작동하는 외골격 로봇./KIST
BCI 기술은 파킨슨병과 뇌졸중, 척수 손상 같은 신경 질환 치료에 도움을 줄 수 있다. KIST 김래현 박사 연구진은 하반신이 마비된 장애인을 위해 외골격로봇을 개발하고 있다. 연구진은 사람이 특정 동작을 상상하는 것만으로도 뇌의 신호가 변하는 데 주목했다. 먼저 연구원들을 대상으로 일어서거나 걷는 상상을 할 때 나오는 뇌파를 추출해 각각의 특징을 확인했다. 컴퓨터는 이 정보를 기반으로 로봇을 작동시킨다. 헬멧 형태의 뇌파 측정 장치가 생각을 읽으면 입는 로봇이 그대로 동작하는 방식이다. 김 박사는 “현재 정확도는 70~80% 수준”이라며 “뇌의 신호를 수집해 로봇을 작동시키는 반응 속도를 더 빠르게 하는 것이 목표”라고 말했다.
뇌 신호에 맞게 빛이나 약물을 전달해 치료하는 기술도 개발됐다. KIST 조일주 박사 연구진은 머리카락보다 가는 40마이크로미터(1마이크로미터는 100만 분의 1m) 두께의 탐침 네 개가 달린 브레인칩을 개발했다. 연구진은 생쥐의 뇌에서 기억을 담당하는 해마에 칩을 삽입하고 뇌의 신호를 정밀하게 측정하는 데 성공했다. 이를 기반으로 해마에 빛과 약물을 전달해 뇌 회로를 강화하거나 약화할 수 있다는 것도 확인했다.
뇌 신호로 컴퓨터·스마트폰 제어도
기업들도 BCI 기술 개발에 뛰어들고 있다. 일론 머스크가 2017년 설립한 뉴럴링크가 대표적인 업체이다. 뉴럴링크는 머리카락보다 얇은 실에 뇌 신호를 감지할 수 있는 전극을 달아 뇌에 삽입하는 기술을 개발하고 있다. 뉴럴링크는 현재는 드릴로 두개골에 구멍을 뚫고 일일이 수작업으로 전극을 삽입하지만, 머지않아 재봉틀 방식의 로봇을 통해 뇌 손상을 최소화하고 라식 수술처럼 간편하게 이식할 계획이라고 밝혔다. 회사는 궁극적으로는 전극을 통해 사람의 생각을 읽어 컴퓨터뿐 아니라 스마트폰 등 각종 전자 기기를 무선으로 통제할 수 있다고 기대한다.
페이스북의 뇌파 측정 장치./페이스북
페이스북도 생각만으로 글자를 입력하는 기술을 개발하고 있다. 페이스북은 지난해 7월 자사 블로그를 통해 BCI 기술을 적용한 웨어러블(착용형) 기기 개발에서 진전을 이뤘다고 밝혔다. 연구진은 간질 환자 세 명에게 객관식으로 질문했다. 원하는 악기가 무엇인지 물으면 드럼이나 바이올린을 골라 생각하는 식이다. 뇌 신호를 분석해 어떤 답을 했는지 알아냈는데 정확도가 61~76%였다. 페이스북은 AR(증강현실)·VR(가상현실) 안경에 BCI 기술을 접목할 계획이다. 사용자가 ‘선택’이나 ‘삭제’ 같은 몇 가지 단어를 생각하면 이를 기기가 인식하는 방식이다. 게임을 할 때 말은 물론, 손가락도 필요 없어질 날이 다가오고 있다.
