차세대의공학연구동향 BioIN BT정책정보포털
컨텐츠 바로가기 영역
주메뉴로 바로가기
본문으로 바로가기

지식in

  • 출처김태억 K2B 대표
  • 조회수 8026
  • 등록일2013-03-26
  • 첨부파일
    • 바이오닉 기술의 현재와 미래.pdf다운로드

바이오닉 기술의 현재와 미래

Bioin스페셜 WebZine 2013년 33호 :  [차세대의공학연구동향]

 

바이오닉 기술의 현재와 미래

 

 

김태억  K2B 대표

 

1. 바이오닉 맨 Rex의 탄생

 

올해 2월 영국 BBC에서 크게 보도했던  바이오닉맨 Rex (Robotic Exoskeleton의 약자)는 심장, 피부, 안구, 췌장, 신장, 팔·다리 등 전체의 70%가 인공으로 만들어진 장기 혹은 보조기기로 구성되어 있다. 뇌와 소화기관을 제외하면 인공 피부, 인공 안구, 인공 심장, 인공 혈액, 인공 의·수족 등 거의 모든 부분이 이미 상용화된 부품들을 사용한 것으로, 사실상 세계적으로 개발되고 있는 바이오닉 기술의 총화라고 할 수 있다. 그리고 이는 곧 바이오, 나노, 컴퓨터, 기계공학 등 우리가 생각할 수 있는 모든 융합기술의 성과가 바이오닉맨 Rex에 적용된 것이라고 할 수 있다.

 

<바이오닉맨 렉스와 개발자>

 

 

바이노닉맨 Rex는 영국의 섀도라는 기업에서 제작되었다. 섀도사의 리처드워커 박사는 바이오닉맨의 핵심 구성부분인 인공팔(Touch Bionics), 인공다리(Rex Bionics), 인공발(IBOM), 인공심장(SynCardia), 인조홍채(옥스포드대학), 인공신장(University of California San Francisco), 인공청각장치(맥쿼리대학)는 각각 전 세계 18개 대학 연구팀 및 기업으로부터 제공받았으며, 바이오닉맨의 완성에는 약 100만 달러 정도의 비용이 소요되었다.


시각기능의 경우 미국 캘리포니아대학에서 개발한 홍채에 영국 옥스퍼드대학의 시각장애 치료용 인공망막을 연결하여 시각기능을 구현했다.

 

안경에 장착된 카메라의 광학신호를 망막이 전달받아 중앙처리장치(CPU)로 보내면 CPU의 시각 인식 알고리즘이 광학신호를 분석해 물체의 형상을 인식하고, 이 정보를 바탕으로 자신의 위치와 자세를 파악해서 보행 및 행동을 하게 된다.

 

청각기능의 경우는 호주의 맥쿼리대학팀이 개발한 인공내이를 통해 외부의 소리를 심경섬유로 전달하고, 신경섬유에 보내진 신호가 CPU로 전기신호를 전달함으로써 소리를 인식하게 되는 것이다.

발성기능은 스티븐 호킹 박사의 '보이스 신디사이저'와 인공지능시스템 '챗봇(Chatbot)'을 활용해 사람들과 간단한 대화를 나누는 것도 가능하다. 하지만 현재까지 개발된 인공지능의 수준은 다른 장기기능에 비해 훨씬 미발전된 상태로, 향후 기술개발을 위한 가장 큰 관심과 투자가 이루어지는 분야이기도 하다.

 

순환계 기능은 생체모방(biomimetics) 연구성과를 집약한 것인데, 인공심장은 미국 신카디아사가 개발한 것으로, 배터리로 구동되며 인공혈액을 체내에 순환시키는 역할을 한다. 인공혈액은 영국 셰필드대학에서 개발했으며 액체 플라스틱 소재로 만들어졌고, 예일대학의 인공비장이 인공혈액을 정화한다. 또한 미국 UCSA 대학에서 개발한 인공신장과 영국 드몽포르대학의 인공췌장도 달려있다. 기도는 영국 로열프리병원에서 개발한 것을 사용했는데, 이 제품은 이미 임상적인 적용이 이루어진 것이기도 하다.


행동기능은 자가 학습기능을 갖춘 미국 존스홉킨스대학의 모듈형 인공 팔, 영국 터치 바이오닉스의 'i-림(i-Limb)'을 장착했다. 특히 팔 근육의 미세전기신호를 읽고, 손의 움직임으로 바꿔주는 i-림은 실제 손에 가장 가까운 움직임을 구사할 수 있어 물건을 잡는 것은 물론 키보드 타이핑까지 가능하며 블루투스 기능을 지원하는 만큼 컴퓨터나 스마트폰을 무선 연결하여 손의 미세 조정 및 동작 설정이 가능하다.

 

보행기능은 MIT 미디어 랩에서 창업한 i워크의 인공 다리 '바이옴(BiOM)'에 뉴질랜드 렉스바이오닉스사의 장애인 보행보조용 외골격을 덧씌워서 만들었다. 바이옴은 사람의 종아리 근육과 아킬레스건의 움직임을 모방하는 모터 및 스프링 시스템, 몸의 움직임을 읽은 센서기능과 센서의 신호에 따라 최적의 에너지를 배분하는 기능이 핵심이며, 여기에 신호에 따라 운동에너지를 증강하는 외골격이 연결되어 별도의 보조기구 없이도 안정적으로 걸을 수 있다.

 

2. 첨단 바이오미메틱 기술

 

외관상으로나 통계적으로 보자면 바이오닉맨 렉스의 70%가 인공장기나 기기들로 구성되어 있기는 하지만 인간의 몸처럼 자기완결, 자기조절적인 통합시스템으로 완성시킨 것과는 전혀 다르다. 조금 비판적으로 말한다면 인간의 신체기능을 모방한 부분품들을 억지로 연결하여 인간과 비슷한 외관을 덧씌운 수준이라고 말할 수 있다. 특히 인간의 두뇌기능과 대사기능이 없는 것이 결정적인 한계라고 할 수 있다. 하지만 중요한 것은 바이오닉맨 Rex가 세계 각지에서 진행되고 있는 바이오엔지니어링, 바이오미메틱 기술의 성과를 종합, 가능성과 한계를 동시에 보여주고 있으며 향후 기술개발 로드맵을 그릴 수 있는 이정표 역할을 하고 있다는 점이다.


또한 바이오닉맨 Rex에 구현된 인공장기나 보조기기들은 군사용이나 의료용으로 개발되어, 각각 개별적으로는 그 기능이나 성능이 바이오닉맨에 구현된 수준을 넘어 경탄을 자아낼만큼 발전돼 있기도 하다. 가령 예를 들어 인공외골격 기술의 경우 DARPA의 지원을 받은 미국의 방산기업인 Raytheon이나 세계적 방산기업 Lockheed Martin이 개발하고 있는 군사용 외골격 시스템은 인간의 신체기능을 뛰어넘는 슈퍼기능을 제공할 수 있다.

 

또한 스웨덴의 Linkoping 대학에서는 ‘ion transistor’를 이용한 컴퓨터 칩을 개발하고 있는데, 이 장치는 이온과 같은 생물학적 분자물질을 이용해서 연산처리할 수 있는 디바이스를 통해 인간 신체내의 세포와 직접 상호작용할 수 있는 가능성을 제공할 수 있다. 이온채널을 이용한 컴퓨터 디바이스 개발이 중요한 이유는 신경전달물질인 acetylcholine을 조절함으로써 근육의 움직임을 미세하게 조절할 수 있기 때문이다. 이온과 함께 대사기능을 관장하는 주요 생물학적 분자물질을 이용한 연산장치를 연결하고 이를 중앙처리하는 복잡한 알고리즘으로 처리한다면 장기적으로는 자기조절적인 대사기능 구현이 가능해지는 것이며, 보다 가깝게는 운동기능이 손상된 환자들에게 운동기능을 복원시켜 줄 수 있을 것이며, 세르토닌과 같은 다양한 신경조절 물질에 대한 모니터링과 정상조절 기능을 통해 우울증이나 치매 등 신경전달 물질의 과다 및 과소로 인해 빚어지는 다양한 정신질환 문제를 해결하는데 사용될 수 있다.

 

<하버드대가 개발한 사이보그 티슈>

 

하버드 대학의 바이오엔지니어링팀에서는 사이보그 티슈를 개발했는데, 신경물질, 심장세포, 근육과 혈관들이 나노와이어와 트랜지스터를 통해 서로 상호작용할 수 있게 만들었다. 이 사이보그 티슈는 반쯤은 살아있는 세포이며 반쯤은 전자장치라고 할 수 있어서 인간의 살아있는 세포와 상호작용이 가능하며, 적절한 에너지를 공급할 경우 성장과 발달도 가능하다. 또한 3D 프린팅 기술을 적용할 경우 대량생산도 가능해서 장기적으로는 특정한 기능과 목적을 가진 인공장기를 양산할 수 있으며, 단기적으로는 나노로봇으로 만들어서 인간의 손상된 세포에서 발생시키는 신호를 읽는 진단장치로도 활용될 수 있을 것이다.


3. 바이오닉 엔지니어링 기술의 의미와 중요성

 

바이오닉 엔지니어링 기술은 바이오미메틱(생체모사)기술에 엔지니어링 기술을 조합하여 만들어진 용어로 그 개념이나 포괄범위가 보편적으로 확립되어 있지는 않다. 특히 조작적 최적화의 의미가 강한 엔지니어링이 가능하기 위해서는 대상 부분품의 기술적 완성도와 포괄하는 부분품의 범위가 다양할 필요가 있다. 특히 바이오닉엔지니어링 기술을 통한 실용화의 구체적인 대상과 범위가 메디칼 헬스케어라는 점을 고려한다면 개발된 기술의 정교함이나 신뢰성이 매우 중요하며, 이러한 수준에 도달하기 위해서는 아직도 가야할 길은 멀기만 하다.

 

생명공학 기술의 발전을 일련의 장기적 흐름으로 돌아본다면, 주로 질병에 대한 예방이나 치료를 목적으로 기술개발이 이루어져왔다. 그 중에서도 질환에 대한 대증적인 해법에 주로 착목해왔던 소분자화합물 의약개발이나 유전자 혹은 단백질 차원의 작용기전에 주목했던 바이오 의약기술의 경우 인간을 하나의 유기적 시스템통합체로 간주하기 어려웠던게 사실이다. 하지만 최근 줄기세포 기술의 발전에 따라 살아있는 유기체의 최소단위인 세포수준의 작용기전에 대한 이해를 바탕으로 특정한 목적이나 기능을 대상으로 조작이 가능한 세포엔지니어링 기술이 적용되기 시작했다. 여기에서 더 나아가 3D 프린팅 기술을 이용한 인공세포 양산기술이 하나둘씩 개발되면서 바이오미메틱 엔지니어링 기술에 대한 관심이 점차 증가하고 있고, 바이오닉맨 Rex는 이렇듯 증가하는 연구자들의 관심을 대중적으로 알리는 계기가 된 것이다.

 

<진보된 바이오닉맨 개념도>

 

인간의 몸을 분자-세포-기관-신체의 차원으로 구분하여 생명공학 기술의 발전수준을 진단한다면, 현재 우리의 과학기술 수준은 세포단위까지 접근했으며, 기관이나 신체의 수준에서 관련된 기술개발의 성과를 통합, 조작적 최적화를 달성하기 위해서는 특정한 생체의 한정적인 기능을 부분적으로만 모사하는 현재의 기술수준을 획기적으로 돌파해야 한다. 그리고 이를 위해서는 인간의 생명현상에 대한 보다 근본적이고 체계적인 연구에 더 많은 관심과 투자가 이루어져야 한다.

 

이와 관련 바이오닉 기술에 대한 국가적인 이니셔티브를 선도적으로 추진하고 있는 호주의 사례를 참고할 필요가 있다. 호주정부가 지원하고 있는 Bionics Research Institute는 Bio Hearing, Bionic Vision, Nuerobionics 등을 주력 연구분야로 설정, 년간 750만 달러의 예산으로 운영되고 있다. BRI는 생물학 연구자와 엔지니어링 연구자, 그리고 IT 관련 전문가들의 융합연구를 연구개발의 중심축으로 삼는 한편 바이오닉 연구에 필요한 융합형 인력양성을 통해 각각 개별적으로 진행되는 바이오미메틱 연구의 시스템적 통합에 주력한다는 점에서 그 의미를 찾을 수 있을 것이다.

 

현재 전세계적으로도 통합적, 시스템적 차원의 바이오미메틱 연구를 전담하는 연구조직이 매우 드문 현실을 고려한다면 호주정부의 BRI에 대한 투자는 매우 선도적인 사례라고 할 수 있다. 특히 BRI가 바이오미메틱 연구에서 가장 어렵고 기술개발 수준이 상대적으로 가장 낮은 영역인 대사적 상호작용의 중앙처리(CPU)를 통한 조정기능과 인지적 판단을 위한 두뇌기능에 관련된 난제에 직접 관련되어 있는 시각, 청각, 신경기능에 연구 포트폴리오를 집중하는 것 역시 BRI가 세계적인 연구의 중심거점으로 발전하려는 의지를 보여주는 것이다.

 

4. 바이오닉 엔지니어링 기술개발 로드맵

 

바이오닉 엔지니어링 기술은 일반적으로 말해 바이오, 나노, 전자공학, 재료공학과 이 모든 기술을 연계, 조작할 수 있는 엔지니어링 기술의 융합이라고 할 수 있다. 따라서 이들 모두를 아우르는 바이오닉 엔지니어링 기술개발 로드맵을 언급하는 것은 현재의 수준에서는 너무 성급한, 시기상조의 과제라고 할 수 있다. 이러한 어려움에도 불구하고 지난 2009년 CCC(Computing Community Consortium)의 지원을 받아 미국 의회에 제출하기 위해 만든 로봇관련 기술개발 로드맵 중, 바이오메디컬 로봇기술 개발 로드맵과 지금까지 바이오미메틱 기술개발 관련 주요 성과들을 참고하여 정리해보면 다음과 같은 28개 기초 및 응용기술과제들을 도출할 수 있다.

 

기초기술

응용기술

Architecture & Representation

비구조적 환경에서의 인식

Control & Planning

인간과 같은 복잡한 조작

Formal Method

적응적 재설계 가능한 조립

Learning & Adoptation

인간과 상호작용

Modeling & Simulation

자동항법

Acuator

조립라인의 신속한 적용

Perception

친환경 제조기술

Physical Interaction

모델기반 디자인

Robust Sensors

부품간의 호환성

Social Interaction

나노 제조기술

 

기초기술 영역에서는 특히 Architecture & Representation과 Learning & Adoptation, Social Interaction등의 분야가 상대적으로 발전수준이 낮은 영역이라고 할 수 있다. 인지, 센서, 수학적 모델구축을 위한 공식적 방법 등은 단위체 수준에서는 어느정도 기술개발 성과가 축적되어 있고, 인공홍채나 인공 귀, 인공세포 등에서 볼 수 있듯이 신호감지 및 처리, 인간과 기계간의 상호작용 등이 기능적 수준에서 조작가능함을 확인할 수 있었다. 하지만 설계 및 반영(Architecture & Representation)과 관련된 주요 이슈는 인간의 행동이나 신체반응이 매우 미묘하게 변화하며, 따라서 예측가능성이 낮고 양가적인 특성을 지닌다. 따라서 신호와 반응을 감지, 분석, 판단을 내릴 때 맥락이나 상황을 이해하는 것이 매우 중요하다. 이와 관련된 문제로 Learning & Adoptation 분야에서는 구조화된 인지기능의 특성과 진화적 상호학습, 실패로부터의 복귀를 통한 재구조화 등과 같은 인간 고유의 인지적 구조를 모사, 설계하는 문제가 주요 도전과제로 제시되고 있고, 사회적 상호작용의 경우는 감정이나 맥락 등을 이해하고 표현하는 문제가 해결되어야 하는데 현재의 기술수준은 쌍방향 상호작용보다는 일방향 전달기술에 국한되어 있다. 

 

응용기술 분야에서는 인간과 바이오닉과의 상호연접 및 상호작용, 인간행동에 대한 자동화된 학습, 행태학적 상태에 대한 인지 및 학습, 양적 진단 및 평가, 모든 수준에서의 복잡한 조작가능성, 센서기반 데이터수집, 모듈화된 작동가능 알고리즘 설계 등이 주요 기술개발 과제로 거론될 수 있다. 응용 기술분야에서도 역시 상호작용이나 학습기능에 관한 기술개발 영역이 가장 핵심적인 분야로 지적되고 있는데 주로 신호에 대한 반응처리의 최적화에 관련된 문제들이라고 할 수 있다. 그 외에 다른 기술개발 과제들의 경우 단위 개체 수준에서는 그 발전속도가 매우 빠르며, 특정 기능에 국한될 경우는 임상시험을 목전에 둘만큼 성숙되어 있기도 하다.

 

5. 결어

 

DNA 수준에서 세포수준까지 다양한 생물학적 기능을 모사, 강화, 조절하기 위한 시스템을 설계, 작동가능한 부분품을 만들어내기 위한 합성생물학(Synthetic Biology) 기술이 Bottom Up 방식의 모사방식이라고 한다면 바이오닉 기술은 인간의 신체기능을 Top Down 방식으로 모사하려는 접근방식이라고 할 수 있다. 이들 두 개의 접근방식이 서로 결합될 수 있는 수준까지 발전된다면 완전에 가까운 인공인간을 만들어낼 수 있을 것이다. 하지만 이러한 기술발달이 과연 가능할것인지, 가능하다 해도 과연 바람직한 것인지는 여전히 논란이 될 수 있고, 기술개발보다 더 중요한 것은 이러한 문제에 대한 윤리적, 사회적 합의를 이끌어내는 것일 수도 있다.

 

 

 

 

 

목록으로