노벨상 문지방을 못 넘은 스티븐 호킹(7)

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스티븐 호킹은 25년간 결혼생활을 했던 제인 와일드와 헤어진 후 바로 일레인 메이슨과 재혼했는데 2006년 일레인과도 이혼했고 2018년 3월 사망했다. 그는 루게릭 병에 걸린 환자로 최장수 기록을 남겼다.

그런데 그는 자신의 병 치료를 위해 인공지능 분야에서 획기적인 진전을 이루게 한 장본인으로도 잘 알려져 있다. 바로 그가 걸린 치명적인 루게릭병 때문이다.

인공지능을 연구하는 과정의 일환으로 인간의 두뇌 즉 뇌파의 연구는 그야말로 상상치 못하는 다른 결론에 도달했다. 초보적이나마 인간의 뇌파를 이용하여 기계를 움직이는데 성공하자 이를 활용하면 영생의 가능성이 열린다는 것이다.

이를 가능케 하는 기술이 바로 '뇌-컴퓨터 인터페이스'(BCI·Brain Computer Interface)이다. 설명에 따라 BCI 대신 BMI(Brain Machine Interface)을 쓰기도 한다.

BCI는 어떤 동작을 상상할 때 발생하는 사람의 뇌파(뇌에서 나오는 일종의 전기신호)를 컴퓨터에 보내면, 컴퓨터가 이를 컴퓨터나 로봇이 알아들 수 있는 기계적인 명령어로 바꾸어 전달하는 것이다.

BCI에는 세 가지 접근방법이 있다. 첫째는 특정 부위 신경세포(뉴런)의 전기적 신호를 활용하는 방법이다. 뇌의 특정 부위에 미세전극이나 반도체 칩을 심어 뉴런의 신호를 포착한다. 둘째는 뇌의 활동 상태에 따라 주파수가 다르게 발생하는 뇌파를 이용하는 방법이다. 먼저 머리에 띠처럼 두른 장치로 뇌파를 모은다. 이 뇌파를 컴퓨터로 보내면 컴퓨터가 뇌파를 분석해 적절한 반응을 일으킨다. 컴퓨터가 사람의 마음을 읽어서 스스로 작동하는 셈이다. 셋째는 기능성 자기공명영상촬영(fMRI) 장치를 사용하는 방법이다. fMRI는 어떤 생각을 할 때 뇌 안에서 피가 몰리는 영역의 영상을 보여준다. 사람을 fMRI 장치에 눕혀놓고 뇌의 영상을 촬영하여 이 자료로 로봇을 움직이는 프로그램을 만든다.

이중에서 첫째와 둘째 방법은 구식이 될 정도로 과학자들을 고무시켰다.

1998년 3월 미국 신경과학자 필립 케네디가 최초로 BCI 장치를 선보였다.

그는 뇌졸중으로 쓰러져 목 아래 부분이 완전 마비된 환자의 두개골에 구멍을 뚫고 BCI 장치 한 개를 이식했다. 환자는 눈꺼풀을 깜빡거리는 것으로 겨우 자신의 뜻을 나타낼 뿐 조금도 몸을 움직일 수 없는 중환자였다. 케네디의 BCI 장치는 미세전극이 한 개인데 사람 뇌에는 운동 제어에 관련된 신경세포가 수백만 개 이상이다. 그러므로 한 개의 전극으로 신호를 포착해 몸의 일부를 움직일 수 있다고 생각한 것 자체가 엉뚱할 수 있었다.

그런데 그야말로 기적이 일어났다.

케네디와 환자의 끈질긴 노력 끝에 생각하는 것만으로 컴퓨터 화면의 커서를 움직이는 데 성공한 것이다. 케네디는 사람 뇌에 이식된 미세전극이 뉴런의 신호를 받아 컴퓨터에 전달하는 방식으로 손 대신 생각만으로 기계를 움직일 수 있는 BCI 실험에 최초로 성공하는 기록을 세운 것이다.

2003년 6월 니코렐리스와 채핀은 붉은털원숭이의 뇌에 700개의 미세전극을 이식해 생각하는 것만으로 로봇 팔을 움직이게 하는 데 성공했다. 2004년 이들은 32개의 전극으로 사람 뇌의 활동을 분석하여 신체 마비 환자들에게 도움되는 BCI 기술 연구에 착수했다.

2004년 9월 미국 신경과학자 존 도너휴는 뇌에 이식하는 반도체 칩인 브레인게이트(BrainGate)를 개발했다. 사람 머리카락보다 가느다란 전극 100개로 구성된 이 장치는 팔·다리를 움직이지 못하는 25세 청년의 운동피질에 1㎜ 깊이로 심어졌다. 9개월이 지나서 이 환자는 생각만으로 컴퓨터 커서를 움직여 전자우편을 보내고 게임도 즐기고, 텔레비전을 켜서 채널을 바꾸거나 볼륨을 조절하는 데 성공했다. 또 자신의 로봇 팔, 곧 의수를 마음대로 사용할 수 있었다.

뇌졸중을 겪은 환자는 멀쩡히 생각하는 뇌와 아무 문제없는 몸을 가지고 있지만, 뇌의 명령을 몸으로 전달하는 ‘연락 체계’가 고장 나 자유롭게 움직이지 못한다. 뇌가 명령을 내리면 이 명령이 척수를 지나 신경을 타고 몸의 각 근육으로 전해져야 하는데, 이 경로가 손상돼 몸이 말을 듣지 않는 것이다.

도너휴 박사는 뇌 신호를 로봇 팔에 전달하기 위해 몸의 움직임을 주관하는 뇌의 운동중추 부위에 작은 알약 크기의 칩을 이식했다. 정수리 바로 아래 있는 운동중추에 삽입된, 96개의 가느다란 전극이 박힌 센서는 뇌 신경세포의 반응을 측정해 컴퓨터에 전달한다.

2008년 5월 미국 신경과학자 앤드루 슈워츠는 원숭이가 생각만으로 로봇 팔을 움직여 음식을 집어먹도록 하는 데 성공했다고 밝혔다. 원숭이 두 마리 뇌의 운동피질에 머리카락 굵기의 탐침을 꽂고 이것으로 측정한 신경신호를 컴퓨터로 보내서 로봇 팔을 움직여 꼬챙이에 꽂혀 있는 과일 조각을 뽑아 자기 입으로 집어넣게 만들었다. 전신마비 환자들이 생각하는 것만으로도 혼자서 휠체어를 운전할 수 있는 기술도 실현되었다.

보다 획기적인 기술은 2012년에 선보였다.

두 아이의 엄마인 캐시 허친슨 부인은 1996년 정원을 가꾸다가 뇌졸중으로 쓰러졌다. 42세였던 허친슨 부인은 그 후 휠체어 신세를 지고 살았다. 팔다리를 움직이지도, 말을 하지도 못했는데 팔다리가 마비된 지 15년 만인 2012년 허친슨 부인은 생각만으로 로봇 팔을 움직여 물병을 든 다음 빨대로 커피를 마셨다. 뇌에 이식한 특수 센서로 뇌 신경세포의 신호를 컴퓨터에 전달해, 뇌와 몸 사이의 끊어진 연결 고리를 다시 이은 결과였다.

운동중추에는 수 백 만 개의 신경세포가 있지만 기본이 되는 100여개 세포의 신호만 포착하면 어떤 동작일지 대략적으로는 알 수 있다는 것이 키포인트다. 과거에도 마비 환자의 뇌 신호로 휠체어를 움직이거나 컴퓨터 커서를 움직이는 데 성공했지만 허친슨 부인의 경우는 실제 로봇 팔을 움직여 스스로의 힘으로 커피를 마실 수 있게 된 것이 다르다.

허치슨 부인은 로봇 팔을 움직이기 위해 5년에 걸친 훈련을 거쳤다. 한편 밥 빌레트씨도 뇌졸중 환자인데 5개월 훈련 뒤 식탁 위 물건을 집는 것 같은 간단한 동작을 수행하여 이 기술이 보다 발전할 수 있음을 예시했다. 이 기술의 단점은 뇌의 신호를 무선 통신이 아니라 전선을 사용해 거대한 특수 컴퓨터로 전달되기 때문에 환자가 연구실 밖으로 자유롭게 나갈 수 없다는 점이지만 공상으로만 생각하던 이 분야의 첫걸음이 성공적이라는 것은 수많은 장애인뿐만 아니라 이들 기술을 수많은 용도로 사용할 수 있다는 뜻에서 계속 연구 중이다.

둘째 방법의 진전도 이에 못지 않다.

1999년 독일 신경과학자 닐스 비르바우머는 목이 완전 마비된 환자의 두피에 전자장치를 두르고 뇌파를 활용하여 생각만으로 1분에 두 자 정도로 타자를 치게 하는 데 성공했다. 같은 해 브라질 출신의 미국 신경과학자 미겔 니코렐리스와 동료인 존 채핀은 앞에 설명한 케네디 박사의 환자가 컴퓨터 커서를 움직이던 것과 똑같은 방식으로 생쥐가 로봇 팔을 조종할 수 있다는 실험결과를 내놓았다.

이어서 2000년 원숭이를 상대로 실시한 BCI 실험에 성공했다. 원숭이 뇌에 머리카락 굵기의 가느다란 탐침 96개를 꽂고 원숭이가 팔을 움직일 때 뇌 신호를 포착하여 이 신호로 로봇 팔을 움직이게 한 것이다. 또 원숭이 뉴런의 신호를 인터넷으로 약 1,000킬로미터 떨어진 장소로 보내서 로봇 팔을 움직이는 실험에도 성공했다. BCI 기술로 멀리 떨어진 곳의 기계장치를 원격 조작할 수 있음을 보여준 셈이다. 케빈 워웍 교수가 직접 자신의 팔에 이식시킨 칩을 연상시키기 바란다.

오스트리아의 크리스토퍼 구거 박사의 생각만으로 글을 쓰는 BCI 기술을 보면 이 기술의 원리를 이해할 수 있다. 기술 자체는 매우 간단하다. 전극 8개가 연결된 특수 장비를 머리에 쓰고 화면에 지나가는 알파벳을 보고 있으면, 원하는 글자가 나타날 때 뇌에서 발생하는 약 15㎶(마이크로볼트)의 전류를 컴퓨터가 감지해 글자를 선택해 준다. 15㎶는 1.5V 건전지가 발생시키는 전류의 10만분의 1에 해당한다. 베를린기술대는 오른쪽 혹은 왼쪽을 생각하는 것만으로 핀볼 게임기의 좌우 레버를 움직일 수 있는 시스템을 개발했다. 독일 하노버에서 열린 국제IT전시회 세빗(CeBIT)에선 장애인이 생각만으로 휠체어를 움직이고, 자판을 입력하지 않고 생각하는 것만으로 모니터에 글자를 입력할 수 있는 장비들이 선보였다.

2009년 스페인과 일본에서 각각 생각만으로 움직이는 휠체어가 개발되었다. 스페인의 휠체어 사용자는 16개의 전극이 달린 두건을 쓰는 반면에 일본의 것은 5개의 전극이 달린 두건을 쓴다. 두건의 뇌파 측정 장치는 전신마비 환자가 생각을 할 때 뇌파의 변화를 포착한다. 이 신호를 받은 컴퓨터는 환자가 어떤 동작을 생각하는지 판단해 휠체어의 모터를 작동시킨다.

스티븐 호킹 박사는 루게릭병(근위축성 측삭경화증·ALS)으로 인해 손가락 움직임을 이용한 전기 장치를 통해서만 외부와 소통해왔다. 그러나 건강이 악화하면서 이마저 어려워져 주로 얼굴 근육과 눈동자의 미세한 움직임을 이용하는 장치에 의존해왔다. 미국 스탠퍼드 대학 연구진은 호킹 박사의 뇌파를 읽어내 외부와 의사소통할 수 있게 만드는 장치 ‘아이브레인(iBrain)’을 개발했다.

아이브레인은 신경전달물질이 들어 있는 검은색 밴드와 뇌파를 판독하는 컴퓨터로 구성된다. 사용자가 밴드를 머리에 쓰고 특정한 생각에 집중하면, 뇌에서 그 생각에 해당하는 전기 신호가 발생해 컴퓨터로 전달되는 방식이다. 이를 이용하면 의사가 증세를 설명하는 환자의 말보다 뇌파를 직접 읽어 정확한 진단과 처방을 내릴 수 있게 된다.

여하튼 호킹 박사는 당초 의사들이 단 몇 년을 보장 못한다고 이야기했음에도 루게릭병으로는 가장 고령인 2018년까지 생존했다. 학자들에 따라 그가 갖고 있는 천재성을 아이브레인을 통해 분출할 수 있었으므로 장수할 수 있었다고 생각한다.

제3의 방법도 진전을 보이고 있다.

2012년 제3의 BCI 방법인 fMRI 사용 기술이 처음으로 실험에 성공했다. 이스라엘·프랑스의 공동 연구진은 먼저 이스라엘의 fMRI 장치에 누워 있는 대학생의 뇌 활동을 촬영한 영상을 분석해 로봇 작동 프로그램을 만들었다. 이 프로그램은 인터넷을 통해 프랑스에 있는 아이처럼 생긴 로봇에 전달되어 대학생의 생각만으로 이 로봇을 움직이는 데 성공한 것이다.

현재 개발된 이들 기술은 「스타워즈」에서 요다, 다스베이더, 제다이들이 생각(氣)만으로 우주선 등을 움직이는 것처럼 자유자재로 물건들을 움직이는 것은 아니다. 그러나 뇌파를 좀 더 발전시키면 상상할 수 없는 기술도 개발할 수 있다는 것이 전문가들의 생각이다. 뇌파를 컴퓨터에 입력하면 동물·로봇 조종도 가능해진다는 얘기다.

미국 보스턴의 하버드대 의대 유승식 교수는 컴퓨터의 키보드를 눌러 실험용 쥐의 다리를 움직이는데 성공했다. 쥐 몸엔 전선 하나 붙어 있지 않았다.

원리는 다리를 움직이는 상상을 할 때 발생하는 유 박사의 뇌파(腦波)를 컴퓨터에 사전에 입력했다. 키보드를 치는 순간 그 뇌파가 컴퓨터에 연결된 초음파 발생기를 통해 쥐의 다리 운동을 담당하는 뇌 부위를 자극한 것이다. 뇌파의 정보를 사전에 입력하고 컴퓨터를 작동시킨 것이므로 생각하자마자 컴퓨터를 움직인 것은 아니라고 볼 수 있지만 결과론적으로 유박사가 ‘다리를 움직이겠다’고 생각한 것이 쥐의 다리를 움직이게 한 것은 사실이라 볼 수 있다. 이 기술의 참 목적은 건강한 사람의 뇌 신호를 환자의 뇌에 전달해 만성통증이나 우울증 등 뇌 질환을 치료하는 것이다. 

이런 기술은 뇌파를 컴퓨터에 전하는 ‘뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)' 기술을 거쳐, 다시 컴퓨터에 입력된 뇌파를 인간의 뇌에 전하는 '컴퓨터-뇌 인터페이스(Computer Brain Interface, CBI) 단계로 발전하고 이어서 뇌와 뇌가 연결되는 '뇌-뇌 인터페이스'(Brain Brain Interface, BBI)로 발전하면 가능하다. 한마디로 로봇태권V 속으로 철이가 들어가 태권V를 작동시키는 것이 상상의 일만은 아니라는 설명이다.

보다 진전된 생각은 영화 「아바타 Avatar」에서 볼 수 있다. 주인공의 생각은 분신(分身)인 나비족 전사의 몸을 통해 그대로 행동으로 옮겨지는 것은 보다 심오한 뜻을 갖고 있다. 이를 활용하면 생각만으로 로봇 뿐만 아니라 다른 생명체를 자신의 분신처럼 움직이게 할 수 있다.

아바타는 가상사회에서 자신의 분신을 의미하는 시각적 이미지로 산스크리트어 '아바따라(avataara)'에서 유래되었다. 인터넷 채팅, 쇼핑몰, 온라인 게임 등에서 자신을 대신하는 가상육체라 볼 수 있다. 아바타는 상업적으로 이용가치가 급증하고 있는데 이는 아바타를 채팅이나 온라인게임 외에도 사이버 쇼핑몰·가상교육·가상오피스 등으로 확대시킬 수 있기 때문이다.

컴퓨터와 인간이 접목되어 「아바타」와 같은 세상이 진실로 도래한다면 인간의 모든 일이 뭐가 뭔지 헷갈리게 된다는 것은 자명한 일이다. 즉 가상세계에서 현실 세계의 모든 일을 할 수 있게 된다면 현실 세계와 가상 현실을 구분하는 것이 불가능하게 된다는 뜻인데 여기에서 중요한 것은 인간의 의식이 다른 개체로 이동이 가능하다는 뜻이다.

2015년에 출시된 영화 「채피Chappie」가 바로 이런 내용을 주제로 했다.

한마디로 스스로 생각하고 느낄 수 있는 감성 탑재 로봇 채피와 로봇의 진화를 통제하기 위해 그를 파괴하려는 인간의 피할 수 없는 대결이다. 그런데 인간이 악당으로 변신하여 로봇이 인간보다도 더 도덕적이고 윤리적이며 양심적인 모습을 보이기 시작한다.

그런데 이 영화에서 주인공이 바로 채피의 뇌로 뛰어 들어간다. 로봇과 인간이 합체된다는 뜻으로 로봇의 장점이 무엇인지를 생각하면 곧바로 영생의 생각이 떠오를 것이다.

미래학자 커즈와일 박사의 예상은 바로 이런 기술의 미래를 보다 확장한 것이라 볼 수 있다. 그의 예상은 생각보다 단순하다. 미래의 어느 날 뇌 스캐닝(뇌에 저장된 정보를 읽어들이는 것)을 통해 사람의 뇌를 컴퓨터에 보관할 수 있을 정도로 과학이 발달한다는 뜻이다. 간단하게 말하여 두뇌확장장치와 생각송수신장치가 개발되면 한 사람의 생각이 다른 사람의 두뇌에 전달되고 이를 인터넷상에 저장할 수도 있는데 미래학자들은 ‘100년 후 이뤄질 10가지’ 중 100퍼센트 이루어질 것으로 예측했다.

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참고문헌 :

「마우스도 귀찮아, 생각만으로 움직일 순 없을까｣, 이성규, 사이언스타임즈, 2005. 6. 20.

「월드사이언스포럼」,, 김형근, 사이언스타임스, 2008.5.8

「내 마음대로 움직이네!… '생각을 읽는 기계' 개발 경쟁」, 이태훈, 조선일보, 2009.08.28.

「뇌에서 뇌로 정보 전달하는 무선통신 시대 성큼 "주말 골퍼도 우즈처럼 칠 수 있다"」, 이영완, 조선일보, 2011.01.12.

「WHO(세계보건기구) "휴대전화 전자파, 癌 유발 가능한 물질"」, 김신영, 조선일보, 2011.06.02.

「휴대전화 유해성 연구마다 달라 특정암 유발한다고 보긴 어려워」, 김철중, 조선일보, 2011.06.02

「'휴대전화 소송' 앞으로 줄 이을 듯」, 이송원, 조선일보, 2011.06.02.

「휴대전화와 몸의 간격 1.5㎝ 이상 둬야 좋아, 달리는 車서 이용 땐 더 많은 전자파 나와」, 이송원, 조선일보, 2011.06.02

「생각 송수신 장치로 의사소통 세계 단일통화 출현」, 이한수, 조선일보, 2012.01.17.

「뇌 운동중추에 머리카락 굵기의 전극 96개 심어 신경신호 포착→해독 SW→로봇 동작으로 변환」, 이영완, 조선일보, 2012.05.18.

「생각만으로 로봇 움직여… 인류 '뇌과학+IT' 새 길 연다」, 김신영, 2012.05.18

「특수 헤어밴드로 스티븐 호킹(英 천재 물리학자)의 뇌 해킹한다」, 장상진, 조선일보, 2012.06.26.

「뇌-기계 인터페이스의 모든 것」, 이인식, 중앙일보, 2012.07.28.

『영화 속의 철학, 박병철, 서광사, 2001

󰡔나는 왜 사이보그가 되었는가󰡕, 케빈 워윅, 김영사, 2004.

『하리하라의 과학블러그2』, 이은희, 살림, 2005

『노벨상이 만든 세상(물리)』, 이종호, 나무의꿈, 2007