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1. 뇌­인터페이스기술(BMI)의 개요

가. 정의

최근 들어 4차 산업혁명의 물결이 산업 및 사회 전반에 걸쳐 일어나고 있다. 4차 산업혁명은 기업들이 제조업과 정보통신기술(ICT)을 융합해 작업 경쟁력을 제고 하는 차세대 산업혁명이다. 기존 산업 영역에 물리, 생명과학, 인공지능, 첨단 정보통신 기술을 활용하여 실세계 모든 사물들의 지능화(intelligent)와 초연결(hyper-connection)을 지향한다.

따라서 제4차 산업 혁명의 속도와 범위, 시스템에 미치는 영향은 매우 크다. 4차 산업혁명의 대표 산업분야로 인공지능, 로봇, 사물인터넷, 자율주행차, 3D프린팅, 나노기술, 뇌-기계 인터페이스(BMI: Brain Machine Interface) 등이 있다.

BMI는 '뇌-컴퓨터 인터페이스(Brain-Computer Interface: BCI)', MMI(Mind ­Machine Interface)와 동의어로 사용되고 있는데, 뇌와 기계를 연결해 컴퓨터나 기계를 조작하는 인터페이스 시스템으로 뇌파를 활용해 인간 능력을 증진시킨다. 

BMI 기술은 사지 마비나 식물인간 환자와의 의사소통을 위한 연구로 처음 등장했다. 1973년 UCLA의 자퀴스 비달 교수가 뇌의 활동을 측정하는 뇌파의 개념을 제안했다. 최근 들어 뇌파 측정기가 간편한 헤드셋 형태로 상용화되었다. 

BMI의 핵심기술로는 ① 뇌 운동영역의 신경신호를 감지 해석하여 실시간 기계제어 명령으로 변환하는 기술, ② 뇌영역에 생체 내·외 정보를 입력시키는 기술, ③ 뉴로피드백 기술 등이 있다.

[표 1. BMI의 핵심 기술]

자료 : 국가과학기술위원회/KISTEP 2011 기술영향평가(뇌-기계 인터페이스), 2013.8

주) 뉴로피드백 : 뇌파의 측정·분석을 통해 자신의 뇌 활동 상태를 파악하여, 실시간 나타뇌파성향이 건강한 패턴을 가지도록 스스로 조절하게 하는 훈련 기술

BMI는 뇌파를 이용하는 특정부위에 칩을 이식하는 침습형과 비침습형이 있다. 침습형(Invasive) BMI는 뇌 특정 부위에 미세전극이나 반도체 칩을 심어 특정신호 뉴런의 신호를 포착한다. 미국의 필립 케네디는 1998년 3월 BMI 장치를 개발해 뇌졸중으로 쓰러져 목 아랫부분이 완전히 마비된 환자의 두개골에 구멍을 뚫고 이식했다. 환자는 생각하는 것만으로 컴퓨터 화면의 커서를 움직이는 데 성공했다. 하지만 사람의 몸속에 넣는다는 윤리와 안전성 문제 등의 문제를 갖고 있다.

비침습형(Non-Invasive) BMI는 뇌의 활동 상태에 따라 주파수가 다르게 발생하는 뇌파를 이용한다. 머리에 띠처럼 두른 장치로 뇌파를 모아 컴퓨터로 보내면 컴퓨터가 뇌파를 분석해 적절한 반응을 일으킨다. 비디오게임, 골프 같은 스포츠, 수학 교육, 신경마케팅 분야에서 적용되고 있다. 앞으로 의료·재활용으로 사용할 수 있을 정도의 신호 인식률을 확보하는 것이 과제이다.

침습형과 비침습형 비교                                              침습형 BMI

[그림 1. 침습형과 비침습형 BMI]

나. 활용사례

현재 BMI 기술은 신체기능 보조·대체, 편의성 제고, 엔터테인먼트, 정보·지식 전달 교류 등에서 활용되고 있다.

첫째, 신체기능 보조·대체로 의료, 재활, 헬스케어 등에 적용되고 있다. 사지를 사용할 수 없게 된 환자에게 일상생활을 가능하게 하며, 재활에 도움을 주고 있다. 뇌파제어기술을 활용해 휠체어나 로봇팔을 조종하는 연구가 진행 중이다.

둘째, 편의성 제고로 IT 기기, 자전거, 자동차 등에 활용되고 있다. 스마트폰 등 IT기기에서 뇌파로 조작하거나 앱을 구동하는 기술을 개발 중이다. 자전거나 자동차 운전자의 의도를 파악해 기기 속도, 상태, 방향전환 등을 제어하는 기술개발이 진행되고 있다.

셋째, 엔터테인먼트로 게임, 영화 등에 적용되고 있다. 게임은 안전성 문제가 비교적 적기 때문에 BMI의 실용화가 앞선 분야이다. 게임업체들이 뉴로스카이 등의 뇌파인식 헤드셋을 게임 캐릭터 조종에 활용하고 있다. 영화분야에서는 감상하는 사람의 의지에 따라 이야기의 흐름이 바뀌는 콘텐츠도 개발되고 있다.

넷째, 정보/지식 전달 교류로 국방, 훈련, 교육 등에 적용되고 있다. 명령이나 운동신호를 다른 사람의 뇌로 전달하는 연구가 진행되고 있다. 기능성게임, ADHD 등의 정신질환 치료 이외에도 마케팅, 헬스케어, 교육 등에서 활용되고 있다.

[표 2. 뇌-기계 인터페이스의 적용분야]  

자료: 생명공학정책연구센터, 뇌-기계 인터페이스(BMI) 연구동향 및 전망, 2014.12.10

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