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[강좌] 인공지능 기술 개발 어디까지 왔나? (4)뇌로 움직이는 인공지능 세상

[컴퓨터월드] 최근 빅 데이터를 대상으로 한 딥 러닝 기술의 급속한 발전에 따라 전 세계적으로 인공지능 관련 기술에 대한 폭발적인 관심과 경쟁적인 개발이 추진되고 있다. 인공지능은 지능적인 기계를 만들기 위한 SW와 HW를 포괄하는 과학 및 공학을 지칭하며, 인공지능이 인간의 지능을 뛰어넘는 시점을 특이점(Singularity)이라고 부른다.

영국의 BBC(Tomorrow’s world: A guide to the next 150 years)와 유엔 미래포럼(유엔 미래보고서 2045) 등은 2045년에 인간의 지능보다 뛰어난 슈퍼지능머신이 출현해 특이점이 도래할 수 있다고 예측했다. 또한, 인공지능이 인류의 일자리를 빼앗고, 나아가 인류의 멸망을 초래할 수도 있다는 부정적인 전망도 했다.

본지는 ICT 역사상 가장 혁신적인 기술로 주목받고 있는 인공지능과 관련, “인공지능 기술 개발 어디까지 왔나?”라는 주제로 국내 최고의 인공지능 전문가들을 필진으로 구성해 기획연재를 한다. 인공지능 필진과 게재할 주요 내용은 다음과 같다.

■ 엑소브레인(언어지능): ETRI 김현기 실장
■ 딥뷰(시각지능): ETRI 박종열 실장
■ 머신러닝 및 딥러닝: 포항공대 최승진 교수
■ 뇌공학: 고려대 이성환 교수
■ 음성처리: ETRI 박전규 실장
 

뇌로 움직이는 인공지능 세상

 
   
▲ 이성환 고려대학교 뇌공학과 교수

이성환 교수는 서울대학교 계산통계학과(현 컴퓨터 공학부)를 졸업하고 KAIST 전산학과 석사, 박사학위를 취득했다. 고려대학교 컴퓨터학과 학과장, MIT Brain & Cognitive Sciences 학과 객원교수, WCU(세계수준의연구중심대학) 뇌공학융합연구사업단 사업단장, 고려대학교 뇌공학연구소 연구소장, IEEE Systems, Man, and Cybernetics Society 부회장, 한국인지과학회 회장을 역임했으며 현재 BK21+ 뇌공학글로벌인재양성사업단 사업단장, 한국뇌공학회 부회장, 한국정보과학회 인공지능소사이어티 회장을 맡고 있다.

 

‘아바타’란 영화는 2009년 외화 최초로 천만 관객을 돌파하면서 선풍적인 인기를 끌었다. 원격 조종이 가능한 새로운 생명체인 아바타의 등장은 사람들에게 큰 관심을 받기에 충분했다. 영화 ‘아바타’의 주인공인 제이크 설리는 하반신이 마비된 전직 해병대원이지만 인간의 생각대로 움직이는 아바타로 임무를 수행한다. 인간의 생각을 인식하여 원하는 대로 행동이 가능한 인공지능 세상, 과연 다가올 미래에 이러한 일이 실현 가능할까?

   
▲ 영화 아바타(2009)

최근 한 연구팀에 따르면, 미국에 있는 원숭이의 뇌 신호 정보를 이용하여 일본 교토에 있는 로봇을 걷게 하는 데 성공했다고 한다. 생각만으로 컴퓨터를 작동시키고, 외부 기계를 제어하는 세상이 결코 SF 영화 속의 이야기가 아니라는 것이다. 뇌를 기반으로 인간의 생각을 읽는 기술, 그것이 바로 뇌공학이라 불리는 최첨단 기술이다.


뇌공학 기술이란?
뇌공학 기술은 인공지능의 다양한 분야 중 뇌인지 컴퓨팅과 관련된 분야로써, 다양한 학문의 화학적 융합을 통해 뇌의 고수준 정보처리 구조와 원리를 이해하고, 이를 모방함으로써 실세계와 지능적으로 상호작용하는 인공지능 시스템을 구현하는 기술을 연구하는 분야이다. 특히 나노, 바이오, 정보 및 인지 분야의 화학적 융합을 통해 뇌의 고수준 정보처리 메커니즘을 이해하고 모방하여 전 세계적으로 다양한 그룹에서 연구가 진행 중인 분야이다. 

   
▲ 뇌공학 기술개요

 인간의 뇌는 신기하게도 각자 담당하고 있는 영역이 나뉘어 있다. 이마 쪽에 해당하는 전두엽에서는 감정, 운동, 지적 기능을 담당하고, 정수리 뒤쪽 부분인 두정엽에서는 공간, 감각기능을 담당하며, 머리 뒤쪽 후두엽은 시각기능, 양쪽 귀에 해당하는 측두엽은 언어기능을 담당한다.

이와 같이 뇌의 각 부분이 담당하고 있는 기능이 다르다는 점을 기반으로, 뇌 속에서 일어나는 활동을 다양한 방법으로 측정 및 공학적인 분석을 통해 사람의 현재 몸 상태를 확인하고 어떠한 생각을 하고 있는지 파악하는 것이 가능하다.

특히 뇌의 어느 위치에서 각 신체 부위의 감각 및 운동 영역을 어떠한 비율로 담당하고 있는지 알 수 있기 때문에(호문클루스), 이를 기반으로 사용자의 생각만으로 외부 장비 제어가 가능한 다양한 인터페이스가 연구 및 개발되고 있다. 또한 특정 뇌 영역의 기능적 이상으로 인해 발생되는 뇌질환의 경우 조기 진단할 수 있는 기술이 최근 활발히 연구되고 있다. 

   
▲ 운동 영역 호문클루스

   

▲ 인간의 뇌영역

   
▲ 감각영역 호문클루스

인간의 뇌 활동을 측정하는 방법에는 대표적으로 침습적 방법과 비침습적 방법, 2가지가 있다.

침습적 방법은 외과 수술을 통하여 뇌 내에 직접 센서 등을 장착하여 뇌 신호를 측정하는 기술로 대표적으로는 뇌피질전도(ElectroCorticoGram, ECoG)가 있다. 주로 신체적 장애 환자들을 대상으로 연구가 진행 중이며 뇌의 깊숙한 영역까지 측정이 가능하기 때문에 정확한 뇌 활동 측정이 가능하지만 외과 수술이 필요하다는 단점이 있다.

비침습적 방법은 별도의 외과 수술 없이 두피 바깥에서 뇌 활동을 측정하는 기술로 인체에 무해하며, 침습적 측정 방법에 비해 비용이 저렴하기 때문에 최근 웨어러블 기기 개발에 따라 차세대 기술로 주목 받고 있다. 대표적인 방법으로 뇌전도(ElectroEncephaloGram, EEG), 기능적근적외분광분석법(functional Near Infrared Spectroscopy, NIRS), 기능적자기공명영상(functional Magnetic Resonance Imaging, fMRI) 등이 있다.
 
   
▲ 침습적 뇌활동 측정 방법(ECoG)

   
▲ 비침습적 뇌활동 측정 방법(EEG)


뇌공학 기술의 응용
현재 뇌공학 분야에서는 침습적 또는 비침습적 방법으로 뇌의 영상 또는 신호를 분석하고 응용하는 기술들이 연구되고 있다. 대표적으로 뇌영상을 이용한 뇌질환 진단 기술과 뇌전도 신호를 이용한 뇌-컴퓨터 인터페이스 기술이 있다.

   
▲ 뇌질환의 조기 진단(알츠하이머)

뇌질환 진단 기술은 뇌의 영상 또는 신호를 공학적으로 분석하여, 뇌질환(예: 알츠하이머, 파킨슨병 등)의 발생 가능성을 예측, 조기에 진단하는 기술이다. 대부분의 뇌질환은 몸의 형태적 변화에 앞서 뇌의 기능적 변화가 먼저 발생한다. 따라서 뇌의 기능적 측면에 대한 평가 방법들이 지속적으로 연구되고 있으며, 뇌질환 조기 진단이 가능한 다양한 바이오마커(Biomarker)가 개발되고 있다.

바이오마커는 정상적인 생물학적 프로세스 또는 치료적 개입에 대한 약물학적 반응 등의 지표로서 객관적으로 측정되고 평가가 가능한 특성을 갖고 있다. 현대 의학의 핵심 요소라 할 수 있는 바이오마커는 침습적인 방법이 중점적으로 개발되었으나, 최근에는 비침습적인 방법인 뇌영상 데이터(fMRI 등)를 기반으로 다양한 연구가 현재 진행 중이다.

   
▲ 뇌-컴퓨터 인터페이스(로봇 팔 제어)

뇌-컴퓨터 인터페이스 기술은 뇌의 영상 또는 신호들의 분석만을 통해 사용자의 의도를 인식해서 기술적인 제어 신호로 변환하는 기술로써 다양한 외부 장비 제어가 가능한 기술이다.

최근까지 원숭이의 뇌를 이용하여 다양한 외부 장치를 제어하는 연구가 진행되어 왔으나, 최근 인간을 대상으로 뇌-컴퓨터 인터페이스 기술을 적용하는 연구가 진행되고 있다. 특히 몸이 불편한 장애인의 생활 보조를 위하여 뇌 신호 기반의 로봇 팔을 제어하는 연구 및 보행 보조가 가능한 하지 외골격 로봇을 제어하는 연구 등이 대표적인 연구 분야이다.

이러한 뇌-컴퓨터 인터페이스 기술이 앞으로 지속적으로 개발된다면 생각만으로 움직이는 인공지능 세상도 그리 멀지 않을 것으로 기대된다.
 

뇌공학 기술의 발전전망
앞서 언급한 뇌공학 기술의 발전은 크게 사회 문화적, 경제 산업적 및 과학 기술적, 세 가지 측면에서 큰 변화를 가져올 것으로 예측된다.

첫 번째로 사회 문화적 측면에서는 재활의료가 발달함에 따라 신체 장애인들의 활동 제약을 극복할 수 있을 것이다. 또한, 장애 환자뿐만 아니라 일반인을 대상으로도 뉴로피드백 훈련을 통해 기억력 및 창의력 등 뇌기능을 향상 시킬 수 있을 것이다.

두 번째로 경제 산업적 측면에서는 장애 환자들의 재활 시간 단축뿐만 아니라, 치매와 같은 질병의 조기 진단으로 인해 환자 혹은 부양자들의 사회 활동이 증가 할 것이라 예측할 수 있다. 또한 스트레스성 정신질환에 도움이 되는 뉴로피드백 기술로 업무 효율성을 향상시킬 수 있고, 이를 통해 궁극적으로 사회 생산성 증가에 기여할 수 있다.

마지막으로 과학 기술적 측면에서는 뇌질환, 뇌장애 환자의 치료뿐만 아니라, 인간의 인지기능과 감성을 모방한 인공지능 로봇 기술 발전을 예측해 볼 수 있다. 이는 뇌 기능에 대한 메커니즘을 파악해 사람의 인지정보처리 방식을 모델링함으로써 가능할 것이다.
 

맺음말
아직까지 뇌공학 기술은 초기 단계에 머물러있다고 할 수 있다. 그러나 뇌공학 기술이 앞으로 계속 발전한다면 생각만으로 움직이는 세상에 큰 기반 기술이 될 것으로 기대된다. 특히 실버산업, 뇌질환 진단 및 예측, 게임 엔터테인먼트, 뉴로 마케팅, 재활산업 등의 시장에 큰 영향을 미칠 것으로 기대된다.

   
▲ 뇌공학 기술의 발전전망


참고자료
http://brain.korea.ac.kr
http://blog.daum.net/_blog/BlogTypeView.do?blogid=0KRWk&articleno=6483706&categoryId=427741&regdt=20130925020140
http://www.stremy.net/hand/Page2.html
http://www.neoanime.co.kr/free/5303834
https://zami0xzami.wordpress.com/2014/08/29/electrocorticography/
http://www.33rdsquare.com/2012/09/scientists-use-emotiv-device-to-read.html
http://scitechdaily.com/reprogrammed-cells-suggest-path-towards-alzheimers-early-diagnosis/
http://www.cnet.com/news/brain-implants-let-paralyzed-woman-move-robot-arm/  

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