최근 세계 언론을 통해 목이 부러져 마비가 된 한 남자가 생각만으로 전자메일을 열고, 텔레비전을 조종하고, 로봇 팔을 이용하여 물체를 이동시킬 수 있다는 것을 보여주었다. 25세의 미국 환자인 매튜 네이글(Matthew Nagle)은 뇌에 컴퓨터와 연결되는 장치를 이식하여 단지 생각만으로 이러한 기능들을 수행할 수 있게 된 것이다.
본 내용에서는 이러한 일을 가능케 한 로봇기술에 대해 살펴보도록 하겠다.
생각에 의해 제어되는 로봇 팔의 현실화
이전에 사람이나 동물을 대상으로 뇌와 컴퓨터 사이의 인터페이스가 시연된 적이 있었다. 그러나 이번에 보여준 결과는 팔다리에 대한 제어기능을 잃어버린 사람들에게 운동기능을 회복시킬 수 있는 생체공학 시스템을 개발하는 데 있어 현재까지 보여준 가장 큰 진일보에 해당된다.
1970년대의 텔레비전 시리즈인 ‘육백만불의 사나이(The Six Million Dollar Man)’에서 과학자들은 비행훈련 도중 불의의 사고로 생명을 잃을 위기에 처했던 스티브 오스틴(Steve Austin)의 몸을 마음에 의해 조정되는 생체공학적 인공기구로 재생하였다. 그 당시에 이러한 개념은 단지 순수한 공상에 불과했지만, 미래에 생각에 의해 제어되는 대체 의수족은 현실화될 가망성이 점점 높아지고 있다. 
2개의 로봇 팔을 가진 제시 설리번… 민감한 동작도 숙달하여 자연스럼 움직임 가능
59세의 제시 설리번(Jesse Sullivan)은 2개의 로봇 팔을 가지고 있지만 집에서 사다리를 올라갈 수 있고, 새로운 페인트칠을 할 수 있다. 또한 그는 제초기도 잘 다루는데, 팔꿈치를 굽히고 전완(Forearm)을 회전시켜 제초기를 안내할 수 있다. 그는 심지어 좀 더 민감한 동작인 그의 손자들을 안아주는 것을 숙달했다.
이러한 동작은 부드럽게 조화를 이루고 있는데, 이것은 그의 왼팔이 그의 두뇌에 의해 제어되는 생체공학적 장치이기 때문이다. 그가 주먹을 쥔다고 생각하면, 전기신호가 수술로 경로가 변경된 신경을 통해 보내진 전기신호가 이를 가능하게 한다.
의사들은 제시 설리번이 생각에 의해 제어되는 로봇 팔을 가진 최초의 사지절단 수술을 받은 사람이라고 설명한다.
이것은 신체와 마음을 연결하는 인공 팔다리를 정교화하기 위한 미국 정부 이니셔티브의 일부로서, 미국 국립보건원(National Institutes of Health)은 이 연구를 지원하고 있으며, 최근에는 미국 국방부 산하의 군사기술연구 개발기구인 국방첨단연구 계획청(DARPA)이 합류했다.
미 육군 의무사령부(U.S. Army Medical Command)는 이라크에서 411명, 아프가니스탄에서 37명 정도의 군인이 부상을 입어 팔다리 가운데 최소한 하나를 잃었다고 밝힌바 있다.
하이테크 과학이 낳은 로봇 팔의 발달
제시 설리번의 경우 팔과 가슴 근육으로 지나갔던 어깨신경을 이식 수술하는 것이 포함되었다. 이 이식조직은 생각에 의해 생성된 충동을 수신하며, 근육활동은 전극에 의해 획득된다. 이것들은 신호를 팔에 있는 컴퓨터에 중계한다. 이 컴퓨터는 정상적인 사람의 팔을 흉내내기 위해 모터를 작동시켜 팔꿈치와 손을 움직이게 한다.
또한 어깨신경은 가슴근육으로 발전하여 환자가 주먹 쥐라고 생각하면, 가슴근육의 일부가 수축한다. 기본적으로 이식수술은 점들을 연결하는 것으로, 신경을 찾아서 이것이 얼마나 멀리 도달하는 것을 관찰한 후 근육에 연결하는 것이다.
수술 3개월 후에 제시 설리번은 절단된 팔꿈치를 굽히려고 노력했을 때 그의 가슴근육에서 수의적 근육경련(Voluntary Twitch)이 발생하는 것을 최초로 인식했다. 5개월경에 그는 그의 중요한 가슴근육에서 4개의 다른 영역을 활성화시킬 수 있었다.
그가 절단된 팔꿈치를 구부리려고 노력하는 것은 가슴 쇄골(Clavicle) 바로 아래의 근육에 강한 수축을 야기했다. 그가 마음속으로 주먹을 쥐려고 할 때, 가슴 쇄골 아래의 가슴영역에서 한 신호가 탐지될 수 있었고, 주먹을 펴고자 했을 때에는 별도의 신호가 발생했다. 주먹과 팔꿈치를 펴는 것은 가슴근육 하부에 수축을 야기했다.
1) 미국 매사추세츠(Massachusetts)주 매튜 네이글
2001년에 척수가 절단되었으며, 2004년에 로드아일랜드 병원(Rhode Island Hospital)에서 브레인게이트 신경 인터페이스 시스템(BrainGate Neural Interface System)을 이식받았다. 그는 시뮬레이션 된 전자메일을 열고, 컴퓨터 스크린 상에서 원 모양을 그리고, 간단한 비디오 게임을 하고, 텔레비전에서 채널을 변경하고 볼륨을 조절할 수 있게 되었다. 궁극적으로 그는 인공 손에 있는 손가락을 움직일 수 있고, 물체를 잡고 이동시키기 위해 로봇 팔을 사용할 수 있었다.
2) 익명 55세의 환자
나이가 55세였던 두 번째 환자는 2005년 4월에 시카고 대학교(University of Chicago)에서 의사들에 의해 센서가 이식되었으며, 이 센서가 고장 나기 전까지 3개월 동안 컴퓨터 커서를 이용할 수 있었다.
현재까지 특히 초당 20~200번의 신호를 함께 보내고 있는 대량의 뇌세포 그룹으로부터 신호를 받는 문제와 같이 엄청난 도전과제들이 이미 극복되었다. 그러나 이식된 장치의 응답이 개인에 따라 크게 변동하고, 시간이 지남에 따라 센서의 효율성이 떨어지는 경향을 보이는 것 등과 같은 아직도 해결해야 할 주요한 기술적 장애물들이 남아있다.
전문가들은 걸음마 단계에 불과하다고 강조
지난 7월 12일에 출판된 ‘네이처(Nature)’에서는 지난 수십 년 간 수행된 생체공학 연구의 절정을 보여주었다.
‘네이처(Nature)’에는 원숭이를 대상으로 뇌와 기계 사이의 인터페이스 속도를 가속화하는 연구에 대한 내용이 함께 출판된 것이다. 여기에서 미국 캘리포니아주에 위치한 스탠퍼드 대학교(Stanford University)의 크리쉬나 세노이(Krishna Shenoy) 박사와 그의 동료 연구자들은 키보드 상에서 분당 15단어를 타이핑하는 속도와 동등하게 정보를 교환할 수 있음을 보였다. 그러나 이 연구에 관여한 과학자들은 이 기술이 아직도 걸음마 단계에 불과하다고 강조했다.
