카네기멜론대학교 연구진이 미네소타대학교와의 협업을 통해 비침투성 로봇 기기 제어 분야에서 획기적인 성과를 이루어냈다. 연구자들은 비침투성 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)를 사용함으로써 사람의 마음에 따라 제어되며 컴퓨터 커서의 위치를 연속적을 추적해서 따라갈 수 있는 능력을 보이는 최초의 로봇 팔을 성공적으로 개발했다. 사람의 생각만으로도 제어 가능한 비침투성 로봇 기기들은 다양한 용도가 있으며 특히 마비 환자들과 행동 장애가 있는 사람들의 삶의 질을 높여준다.

BCI는 뇌 임플란트에서 감지된 신호만을 이용하여 로봇 기기들을 제어하는데 탁월한 성능을 보여왔다. 로봇 기기들은 아주 정밀하게 제어될 경우 다양한 일상 업무를 처리하는데 활용 가능하다. 그러나 지금까지는 로봇 팔을 제어하는데 성공한 BCI는 침투성 뇌 임플란트들을 사용해왔다. 이 임플란트들은 비용과 대상에 대한 위험 가능성은 말할 나위 없이 정확하게 설치하고 운용하는데 필요한 상당한 수준의 의료 및 외과적 전문 지식이 필요하기 때문에 그 용도는 단 몇 건의 임상 케이스에만 한정되어 왔다.

BCI 연구의 최대 과제는 침투를 줄이거나 심지어 마비 환자들이 그들 자신의 "생각"을 이용하여 자기 주변이나 로봇 팔을 제어할 수 있도록 해주는 완전한 비침투 기술을 개발하는 것이다. 그러한 비침투 BCI 기술이 성공적으로 개발될 경우 그렇게 많이 필요한 기술을 수 많은 환자들과 잠재적으로는 일반인들에게도 적용할 수 있다.

그러나 뇌 임플란트가 아닌 비침투성 외부 센서를 이용하는 BCI는 "더러워진" 신호들을 받음으로써 지금과 같이 낮은 해상도와 정밀도가 낮은 제어로 이어진다. 따라서 로봇 팔을 제어하기 위해 뇌만을 사용할 경우 비침투성 BCI는 임플란트 기기의 적수가 되지 못한다. 그럼에도 불구하고 BCI 연구자들은 앞만 보고 전진해 왔으며 그들의 눈은 전세계 환자들을 일상적으로 도울 수 있는 침투가 적거나 비침투성 기술의 가치에 고정돼 왔다.

카네기멜론대학교의 바이오메디컬 엔지니어링 학과장이자 종신 교수인 빈 허는 한번에 하나의 핵심적인 발견을 통해 그 목표를 달성하고 있다. 허 교수는 "뇌 임플란트를 이용하여 마음으로 제어하는 로봇 기기에는 큰 발전이 있어 왔다. 이는 엄청난 과학"이라면서 "그러나 비침투성이 궁극적 목표이다. 신경 디코딩 분야의 발전과 비침투성 로봇 팔 제어 기능의 실제적인 사용은 비침투성 신경로봇을 궁극적으로 개발하는데 큰 영향을 줄 것"이라고 말한다.

허 교수와 그의 실험실은 새로운 센서와 머신러닝 기술을 사용하여 뇌 깊은 곳에 있는 신호를 포착함으로써 높은 정밀도의 로봇 팔 제어에 성공할 수 있었다. 허 교수는 비침투성 신경영상 및 새로운 파라다임을 지속적으로 추구한 끝에 잡음이 많은 EEG 신호를 해결함으로써 EEG 기반 신경 디코딩을 크게 향상시키고 실시간의 연속적인 2D 로봇 기기 제어를 가능하게 한다.

허 교수는 컴퓨터 화면에서 커서의 위치를 추적하는 로봇 팔을 제어하기 위해 비침투성 BCI를 이용함으로써 이제는 로봇 팔이 커서를 계속 따라갈 수 있음을 인체 시험을 통해 사상 최초로 보여주었다. 사람에 의해 비침투적으로 제어되는 로봇 팔이 종전에는 마치 뇌의 명령을 "따라 잡기" 위해 애쓰는 것처럼 불쑥 불쑥 별개로 움직이는 커서를 따라갔다면, 이제 로봇 팔은 부드럽고 연속적인 동작선을 그리는 커서를 따라갈 수 있다.

허 교수 팀은 사이언스로보틱스에 게재된 논문에서 EEG 소스 영상을 통한 비침투성 신경 데이터의 공간 해상도의 제고뿐만 아니라 사용자의 관여와 훈련을 늘림으로써 "뇌"와 "컴퓨터" 컴퍼넌트들을 찾아 그 기능을 향상시키는 새로운 프레임워크를 수립했다.

"로봇 기기 제어에 필요한 연속적인 신경 위치 추적 기능을 향상시키는 비침투성 신경영상"라는 제목의 동 논문은 이 문제를 해결하는 허 교수 팀의 독특한 방식을 통해 BCI 학습이 전통적인 센터아웃 작업 대비 거의 60%가 향상되었을 뿐만 아니라 컴퓨터 커서의 연속적인 위치 추적 기능이 500% 이상 향상되었음을 보여준다.

동 기술은 또한 사람들이 주변 환경과 상호 작용하며 이를 제어할 수 있도록 해주는 기기들에 대한 비침투성의 안전한 "마인드컨트롤" 기능을 구현함으로써 다양한 사람들을 도울 수 있는 용도들을 갖고 있다. 지금까지 동 기술은 신체 장애가 없는 사람들 68 명을 대상으로 테스트했으며(개인별로 10번씩) 가상 기기 제어와 연속 동작을 위한 로봇 팔 제어 테스트가 포함되었다. 동 기술은 환자들에게 직접 적용할 수 있기 때문에 허 교수 팀은 가까운 장래에 임상 실험을 진행할 계획이다.

허 교수는 "우리는 비침투성 신호를 이용하는 기술적 난제에도 불구하고 이 안전하고 경제적인 기술을 이로 인해 혜택을 받을 수 있는 사람들에게 제공할 것임을 굳게 다짐하고 있다"면서 "이 작업은 언젠가는 스마트폰처럼 모든 사람들을 돕는 대중적인 편의 기술이 될 지도 모르는 기술인 비침투성 뇌-컴퓨터 인터페이스의 중요한 발걸음을 의미한다"고 말한다.

이 작업은 국립보완통합보건센터(National Center for Complementary and Integrative Health), 국립신경장애뇌졸중연구소(National Institute of Neurological Disorders and Stroke), 국립바이오메디컬영상바이오엔지니어링연구소(National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering)와 국립정신보건연구소(National Institute of Mental Health)가 부분적으로 후원했다.

[헤모라이프 황정식 기자]