• [더 알고 싶은 과학이야기 ] #21 뇌-컴퓨터 인터페이스 공학

    위인터랙트

    Jan 14, 2022

      작년 말서울의 한 전시장에서 퍼포먼스 <사슬에 묶인 프로메테우스>가 공연되었다작가인 고이즈미 메이로는 근육이 굳어가고 있는 루게릭병 환자와 나눈 대화를 바탕으로 이 작품을 만들었다관객들은 VR을 쓰고 루게릭병 환자의 과거와 현재를 탐험하고그가 꿈꾸는 인간과 기계가 결합 근미래를 경험한다신체를 거의 움직이지 못하는 그는 치료방법이 나오지 않는 한 앞으로 더욱더 움직이지 못할 것이 예정되어 있다그는 이 작품에서 뇌와 신경 신호로 기계를 통해 움직이지 못하는 몸을 넘어서고몸을 움직일 수 있었던 전과 같이 세상과 연결되는 꿈을 꾼다.      


    [더 알고 싶은 과학이야기] #21. 뇌-컴퓨터 인터페이스 공학

     

      실제로 우리 뇌가 하는 생각을 기계에 직접 전달할 수 있을까그것을 꿈꾸는 공학이 있다바로 뇌-컴퓨터 인터페이스(Brain-Computer Interface, BCI)이다. BCI뇌와 컴퓨터를 연결하여 우리가 생각하는 것만으로도 기계를 조종할 수 있도록 만든 인터페이스를 말한다. BCI에서 기계는 먼저 우리의 뇌에서 만들어낸 전기인 뇌파를 읽어내 신호를 측정한다이를 기계가 이해할 수 있는 전기적 신호로 변환을 한 뒤이 신호를 장치에 전달하여 명령즉 출력하는 것으로 이어진다이처럼 뇌와 컴퓨터가 바로 연결되어 있으니우리 몸이 굳이 움직일 필요 없이 뇌의 신호만으로 효율적이고 빠르게 기계를 움직일 수 있다

     

      BCI는 침습형 방식(Invasive)과 비침습형 방식(Non-Invasive) 두 가지로 분류된다침습형은 마이크로 칩을 두피에 시술해 뇌파를 직접 측정하는 방식으로신호 감지 장치가 뇌와 맞닿아 있는 상태이다이는 뇌세포로부터 발생한 신호를 직접 읽어낼 수 있기 때문에 약한 신호도 정확하게 신호를 감지할 수 있다뇌파 이외 뇌의 다양한 신호도 읽어낼 수 있기에 많은 정보를 모을 수도 있다하지만 직접 뇌에 장치를 삽입한다는 것 자체가 사람들에게 주는 공포감이 크고실제로 장치가 닿는 부분에 손상을 입을 수도 있다그래서 회백질 부분은 건드리지 않는 방식으로 두개골 내부에 임플란트를 통해 부착하는 부분 삽입 BCI도 연구되고 있다현재 침습형보다는 안전하다는 평이 크다.  


      

      두 번째로 비침습형 방식의 경우신호 감지 장치를 뇌에 넣지 않고 두피에 착용하는 등의 방법을 통해 뇌파를 읽는 것이다뇌파는 연구가 많이 진행되어 측정한 데이터를 분석하기 훨씬 쉽고측정에 드는 비용이 비교적 적기에 많이 이용되고 있다물론 침습형보다 뇌파의 정밀도가 훨씬 떨어지지만보통 사람들이 BCI를 사용할 때 접근성이 좋기 때문에 앞으로 가장 먼저 일상생활에 적용되리라 예측된다.  

     

      사실 BCI는 우리의 일상생활에 이미 들어와 있다움직일 수 없게 된 루게릭병 환자에게 BCI를 이용하여 워드 프로세서를 사용할 수 있도록 BCI 기술을 적용한 것이 그 예이다가장 널리 이용되는 방법은 열과 행으로 이루어진 자판을 화면을 통해 보면서 시각적인 깜빡임을 통해 신호를 주는 방식이다스티븐 호킹 박사가 바로 이러한 방식의 '아이트래커장치를 통해 연구와 소통을 이어나갔었다



      이후 미국 스탠포드 대학의 제이미 헨더슨 교수는 실리콘으로 만든 초소형 센서를 뇌에 이식해 전극 100 개를 뇌 표면에 달라붙게 한 후이 전극들을 통해 뇌세포 하나하나의 전기 신호를 인식하도록 했다환자는 글자를 떠올리면 컴퓨터가 신호를 실시간으로 해석해주어 1분에 6~8개의 단어를 쓸 수 있다호주 멜버른대 연구팀은 작은 클립 크기의 소형 뇌 장치를 이용해 루게릭병 환자의 뇌를 윈도우10 컴퓨터에 연결했고자신 생각을 이용해 뇌에 연결된 컴퓨터 마우스를 제어해 일상생활 업무를 수행할 수 있는 데까지 나아갔다

     

      이 외에도 사고로 인해 팔다리를 잃어버리거나 장애를 가진 사람들의 신체 기능을 대체하기도 한다. BCI가 뇌의 명을 직접 컴퓨터에 전달해 주는 역할을 한다는 점을 이용해인공적으로 만든 신체 부위를 뇌와 직접 연결해 조종할 수 있도록 하는 것이다. BCI는 걷는 상상을 통해 로봇 다리를 작동시키기도 하고사지 마비 환자의 감각을 되살려주기도 한다



      비장애인을 위한 BCI 기술 개발도 활발하다하프 라이프 시리즈로 유명한 밸브의 경우현재 BCI를 게임에 접목하는 연구를 하고 있다밸브의 창업자 게이브 뉴웰은 뇌의 신호를 읽고 해석한 다음이를 게임 플레이에 반영하는 오픈 소스 소프트웨어를 개발하고 있다고 밝혔다

     

      BCI가 적용된 게임은 플레이어의 지루한 감정을 인식했을 때는 게임의 난이도를 소폭 상승시키거나감정을 조율하고 시각적으로 인식되는 비주얼을 실제보다 한층 더 업그레이드시키는 등 게임의 재미를 더해준다고 한다실제로 현재 기술력으로 BCI를 활용해 VR 헤드셋을 착용 시 느껴지는 VR 멀미를 억제할 수 있는 수준까지 올라와 있다고 한다뉴웰은 "BCI에 관심을 기울이지 않는 게임 개발자는 실수를 저지르는 것"이라며 오픈 BCI 소스에 대한 자신감을 드러내며 BCI가 접목될 게임 세상에 대한 기대를 증폭시킨다

       


      미래에는 의료용뿐만 아니라 뉴로 마케팅에도 이용될 것으로 보이며, AI와 결합할 시 새로운 인터페이스로서 우리 삶에 등장할 것으로도 예상된다. UNIST 바이오메디컬 공학과 김성필 교수는 "궁극적으로는 뇌 안에 있는 자연신경망 뉴로모피칩 형태로 되어 있는 인공신경망과 합쳐져서 신경망이 재생산되고인공신경망 형태로 확대되는 양상으로 발전하게 될 것"이라고 내다보았다

     

      현재는 침습형 BCI 실험이 용이하지 않은 점이나 신호를 측정하는 컴퓨터 및 기계의 떨어지는 이동성그리고 뇌의 신호를 해석하는 과정에서 원치 않게 자신의 생각이 다른 사람들에게 노출되는 등의 문제들이 있지만앞으로의 연구에서 웨어러블 디바이스처럼 기계의 편의성을 높이고 개발 과정에서 윤리의식을 갖고 끊임없이 고민한다면, BCI 기술은 소통과 표현에서 소외되는 사람이 없도록 많은 사람을 도와줄 것으로 기대된다.   






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