MIT의 조교수인 휴 허(Hugh Herr)는 고급 보철학 연구원인 동시에 두 다리를 잃은 장애인이다. 이러한 두 가지 조건 덕분에 그는 자신이 개발한 장비를 직접 실험해볼 수 있는 흔치 않은 경험을 하게 되었다.

“공항에서 자동보도를 타면 어떤 기분이 드는가? 바로 그런 느낌과 비슷하다.” 그는 새로운 의족 시스템에 대해 이렇게 얘기했다. 현재 휴는 MIT와 브라운 대학(Brown University), 로드아일랜드 주 프로비던스의 VA 의료 센터(VA Medical Center)의 연구원들과 함께 이 시스템을 개발 중이다.

이른바 ‘바이오하이브리드(biohybrid)’라는 이 시스템은 인공보철물 내에 전원팩과 컴퓨터가 내장되어 있으며, 센서를 사용하여 인공보철물이 로봇처럼 뻣뻣하지 않게, 보다 사실적으로 움직이도록 만들어준다. 초창기 시스템에는 내장형 센서가 아닌, 보철물에 부착하는 센서가 사용되지만, 2년 내에 과학자들이 임상실험 지원자를 받아 그들의 신경계에 센서를 이식할 것이라고 허는 말한다.

“나는 오랫동안 공학설계가로 일했지만 내가 개인적으로 혜택을 얻는 것은 이 시스템이 처음이다. 이런 사실이 너무나 즐겁다. 왜 이렇게 늦게 시작했는지 모르겠다.”

허의 신체장애를 감안하면 연구에 대해 그토록 열정을 보이는 것도 당연하다. 그러나 지난 10년 동안 과학자들이 이룩한 보철학의 눈부신 발전을 생각하면 충분히 있음직한 시도이다. 편안함과 성능 차원에서의 발전은 일부에 불과하다. 과학자들은 현재 두뇌와 신체의 상호작용의 한계에 도전하고 있으며, 인공 지능과 근육과 신경 센서를 이용하는 (뇌에 직접 연결할 수도 있는) 장치를 개발하여 전례 없는 성과를 올리고 있다. 심지어 일부 환자들은 생각만으로 기계를 작동시킬 수 있는 상황이다.

이와 같은 공격적인 연구개발을 다소 우려하는 이들도 있다. 미 장애인협회(American Association of People with Disabilities)의 회장이자 CEO인 앤드루 임패라토(Andrew Imparato)는 “그들이 말하는 것만큼 실제로 기술이 발전되었는지는 뚜껑을 열어봐야 알 것”이라고 말했다.

그러나 그는 보다 많은 연구를 통해 막대한 혜택을 얻을 수 있을 것이라고 덧붙였다. “인간의 두뇌에 관해 우리가 아직 완전히 파악하지 못한 부분이 많을 거라고 생각한다. 그러니 과학자들이 두뇌를 연구하여 전에는 불가능하던 일들이 실현된다면 정말 기쁜 일이 아닐 수 없다.”고 그는 말했다.

혁신적인 연구결과는 수백만 명의 삶을 근본적으로 바꿔놓을 수 있다. 미 사지절단 장애인 연합(Amputee Coalition of America)은 미국 내에 팔다리를 잃은 장애인이 180만~190만 명에 이르는 것으로 추정한다.

그렇다면 현재 우리는 인간과 기계가 매끄럽게 융합된 삶에 얼마나 근접했을까? 이제 최첨단 연구소부터 차량 자가 정비시스템에 이르기까지, 인간과 기계의 융합과 관련하여 우리의 신체적인 한계에 대한 생각을 바꿔놓는 유망한 (그리고 놀라운) 최신 개발품들을 살펴보자.

생체공학 의수(The Bionic Arm)

지난 2001년, 고압선 가선공인 제시 설리번(Jesse Sullivan)은 감전사고로 치명적인 부상을 입어 양팔을 절단해야 했다. 이듬해인 2002년 생체공학 의수를 광고하는 포스터의 모델이 된 그가 시카고 재활연구소(Rehabilitation Institute of Chicago)의 과학자들이 만든, 컴퓨터로 작동되는 바이오하이브리드 의수를 휘두르는 모습이 TV를 통해 전국에 방송되었다. 지난 목요일, 설리번은 여성으로서는 최초로 생체공학 의수를 시범 사용하는 클라우디아 미첼(Claudia Mitchell)과 함께 의수를 통해 얻게 된 새로운 능력들을 선보였다. 설리번은 기자들에게 이제 울타리를 손보거나 잔디를 깎을 수도 있다고 말했고, 오토바이 사고로 팔을 잃은 미첼은 세탁바구니를 들거나 옷을 갤 수 있다고 말했다.

연구원들은 환자의 흉근에 센서를 이식한 후, 이를 절단수술 전에 팔꿈치와 손목과 손을 조종하던 신경에 연결한다. 그러면 의수는, 뇌가 존재하지도 않는 팔을 움직이고 있다고 착각하는 점을 이용하는 것이다. 그러나 때로는 이른바 “환지통(phantom arm)”이라고 하여, 있지도 않은 사지의 통증이 수반되는 달갑지 않은 증상을 겪게 된다.

이 장치는 뇌가 여전히 팔로 신호를 보내고 있다는 사실을 이용하여 근육에 전달되는, ‘움직이라’ 혹은 ‘촉감이나 온도를 느끼라’는 메시지를 중간에서 가로챈다. 이 장치의 센서를 신경에 연결시키면 환자들이 팔을 움직이겠다고 생각할 때마다 센서와 신경들이 점점 더 복잡하게 뒤얽힌다. 여기에 의수가 장착되면 전극들이 센서와 제휴하여 의수에 내장된 컴퓨터와 모터를 통해 의수를 움직일 수 있게 된다. 이제 환자는 생각만 하면 팔을 움직일 수 있다.

물론 약간의 부작용이 있을 수도 있다. 이 기술을 개발한 시카고 재활연구소 인공수족 신경공학센터(Neural Engineering Center for Artificial Limbs)의 책임자인 토드 쿠이켄(Todd Kuiken)은 “제시 가슴의 특정 부위들을 만질 경우 그가 손을 만지는 것으로 착각할 수 있다.”고 설명했다.

현재 미첼을 포함하여 5명의 사지절단 장애인들이 바이오하이브리드 의수를 시범 사용하고 있다. 연구소에서는 6개의 모터가 장착된 성능 좋은 의수를 사용하며 집에서는 3개의 모터가 장착된 의수를 사용한다. 이 중 네 명은 한쪽 팔이나 한쪽 다리만 잃었으며 한 명은 제시처럼 양쪽을 모두 잃었다. 쿠이켄에 따르면, 그들은 모두 신경 이식을 받았고 한 명을 제외하고는 모두의 몸에서 시스템이 적절하게 작동하고 있다. 쿠이켄의 연구팀이 의수 개발에 들인 비용 3백만 달러 가운데 2백만 달러는 미 국립보건원(National Institutes of Health)에서 지원한 것이다.

쿠이켄의 다음 목표는 생체공학 의족이다. 그는 보철물 제조업체들이 개발한, 모터로 움직이는 의족을 자신의 기술로 조종할 수 있게 되기를 바라고 있다.

생각을 읽는 기계

사이버키네틱스(Cyberkinetics)의 두뇌-컴퓨터 인터페이스인 브레인게이트(BrainGate)는 척수(spinal cord) 손상을 입은 환자에게 혁신적인 장비이다. 직접 뇌로 연결되는 이 장치는, 단지 생각하는 것만으로 마비 환자가 컴퓨터를 조종하고 스위치를 켜고 기계를 움직일 수 있도록 해준다.

브레인게이트를 최초로 시험한 환자는 2002년에 창상을 입고 목 아래가 모두 마비된 매튜 네이글(Matthew Nagle)이다. 머리에 플러그가 삐죽 튀어나온 채로 휠체어에 앉아 컴퓨터 커서를 조종하고 퐁(Pong) 게임을 압도하는 모습은 보는 사람을 모두 놀라게 했다.

사이버키네틱스의 과학자들은 브레인게이트가 심지어 전혀 움직이거나 말할 수 없는 “식물인간” 환자들의 뇌에서도 신호를 포착할 수 있다고 말한다. 사이버키네틱스의 CEO 팀 서지너(Tim Surgenor)는 “그들은 의사소통하기를 갈망하고 있다.”고 말했다.

연구원들은 한 ALS(루게릭병) 환자의 대뇌피질 활동을 기록했으며, 뇌졸중으로 말을 못하는 또 다른 임상실험 참가자는 브레인게이트를 이용하여 컴퓨터 자판을 치기도 했다.

두뇌에 이식된 장치에서 외부 확장장치로 신호를 전송하면 이 외부 장치가 다시 커서를 조종하거나 컴퓨터를 작동시키도록 하는 소프트웨어로 메시지를 전송한다. 현재 테스트용 시스템은 유선이지만, 사이버키네틱스 과학자들에 따르면 완제품은 무선으로 나올 예정이다.

서지너는 브레인게이트가 약 4년 이내에 FDA 승인을 얻게 될 것으로 기대한다.

제2의 눈

올해 초 일부 시각장애인은 무선 망막 이식 임상 실험을 통해 시력을 되찾았다.

유럽의 인텔리전트 메디컬 임플란트(Intelligent Medical Implants)와 IIP-테크놀로지스(IIP-Technologies)의 연구원들은 망막 손상을 입은 환자들의 시력을 회복시킬 목적으로 학습 망막 이식 시스템(Learning Retinal Implant System)을 개발했다. 이들은 색소성망막염으로 시력을 잃은 4명의 환자들을 대상으로 성공적으로 임상 실험을 끝마쳤다. 망막 변성을 야기하는 색소성망막염은 발병 환자의 3분의 1이 불과 몇 년 안에 시력을 완전히 잃게 되는 병으로 전 세계적으로 1백만 명이 이 병을 앓고 있다.

IIP-테크놀로지스의 CEO 한스-구르겐 티트케(Hans-Gurgen Tiedtke)는 “이러한 환자들과 얘기할 때에는 점 하나에도 신경을 써야 한다.”고 말했다.

이 학습 망막 이식 시스템에는 무선 송신기와 이미지를 포착하는 미니카메라가 장착된 안경이 포함된다. 이 안경은 허리에 차는 프로세서 팩과 케이블로 연결되며, 이 프로세서 팩이 망막과 똑같이 정보를 분석하여 이미지 정보를 망막에 이식된 칩으로 전송한다. 그러고 나면 이 칩은 신경절 세포가 이미지를 포착할 수 있도록 망막에 전기 자극을 준다. 이 시점부터는 정상인의 눈과 동일한 과정이 이어진다. 즉, 이미지 정보가 시신경으로 갔다가 거기서 다시 뇌와 시각령으로 전달되고, 이곳에서 이미지 정보가 하나의 그림으로 재결합되는 것이다.

좌우 2.0/2.0의 시력을 되찾아 줄 수는 없지만, 연구원들은 환자들이 문이나 의자, 창문, 그리고 얼굴까지도 구분할 수 있게 되기를 기대한다고 티트케는 설명한다.

임상실험 참가자들에게는 이 시스템의 베타 버전이 주어졌다. 이번 9월 하순 경에는 업데이트된 버전으로 2차 임상실험을 시작할 계획이다. 티트케는 이 장비가 2008년에 유럽을 시작으로 곧바로 미국에서도 시판될 수 있기를 기대한다.

아동을 위한 보철물

일반적으로 성인은 보철물을 수년간 사용할 수 있다. 그러나 성장이 계속되는 아이들의 경우에는 보통 6개월마다 보철물을 교체해야 한다. 현재 토론토에 위치한 블로어뷰 아동 재활센터(Bloorview Kids Rehab)의 과학자 톰 차우(Tom Chau)는 아동과 보철물의 연결을 유지시켜 줄 컨트롤 시스템을 개발 중이다. 이 시스템은 성장기 아이들에게 적용될 수 있도록 다양한 크기의 의수에 장착될 예정이다.

차우는 “아이들이 어른에 비해 활동이 왕성하다는 점을 해결하기 위해서는 먼저 보철물 부품을 재활용할 수 있어야 한다.”고 말했다.

차우의 시스템은 실리콘으로 외피를 덮은 센서를 사용하며, 이 센서에는 근육의 소리를 포착하는 마이크가 장착된다. 그리고 보철물의 마이크로콘트롤러는 외부 소음을 걸러내고 의수의 이동 방식을 결정짓는 역할을 한다.

차우에 따르면 이 보철물의 센서는 땀에 영향을 받지 않기 때문에 장애를 가진 아이들이 매우 활동적인 놀이를 할 수 있도록 해줄 것이다. 방수 기능이 있어서 수영도 가능하다.

그는 먼저 성인에게 프로토타입을 실험했다. 성인의 근육 신호가 보다 강력해서 실험하기가 용이하기 때문이다. 또, 성인은 아이들보다 더 오랫동안 가만히 앉아 있을 수 있다.

하이테크 무릎관절 (The High-Tech Knee)

이번 달 2006 세계 장애인 육상 선수권 대회(Paralympic Athletics World Championship)에서 특수 “블레이드” 의족을 착용한 남아프리카 공화국의 오스카 피스토리우스(Oscar Pistorius) 선수가 육상 200미터에서 21.66초로 세계 신기록을 세웠다. 이는 1920년 일반 올림픽에서 22초 기록으로 금메달을 딴 남자 육상선수의 기록을 능가하는 것이다.

날렵하게 특수 제작된 의족을 착용하고 육상대회에서 완주를 했다는 것은 감동적인 일이 아닐 수 없다. 그러나 사실 이러한 장비는 동네를 돌아다니는 것보다 단거리 경주에 더욱 유용하다.

행어 정형외과 단체(Hanger Orthopedic Group)인 메릴랜드의 베데스다(Bethesda)는 사지절단 장애인들이 최첨단 보철물을 이용하여 뛰어난 경기실적을 올릴 수 있도록 지원하고 있다. 그 외에도 버스 정류장까지 걷거나 밥을 먹는 일처럼 하찮아 보이지만 결코 무시할 수 없는 활동을 할 수 있도록 돕고 있다.

이들 과학자들이 비교적 평범한 임무를 수행하고 있다고 해서 기술에 큰 투자를 하지 않는다고 생각하면 오산이다. 예를 들면 파워 니(Power Knee)는 인공지능을 사용하여 사지절단 장애인들이 걷기나 의자에서 일어나기, 계단 오르내리기 등의 일상생활을 보다 자연스럽게 할 수 있도록 돕는다. 이 파워 니는 모터 동력과 관절 센서를 갖추고 있으며, 정상적인 다리에 컴퓨터로 처리되는 구두 깔창을 착용하면 이것이 의족과 상호 교류한다.

행어의 임상실험 담당 부사장인 데일 베리(Dale Berry)는, “드디어 환자가 왼발과 오른발의 균형을 맞춰 걷게 되었다. 이제 훨씬 안정적이고 자연스럽게 걸을 수 있다.”고 말했다. 신체의 피로도 감소시킨다.

이러한 무릎관절 시스템은 올해 초에 1십만 달러로 시판되기 시작했다. 수압을 이용하는 보철물의 가격이 2만 달러라는 점을 감안하면 일부 소비자들은 그 가격에 충격을 받을 수도 있지만, 베리는 소비자들이 보다 자연스럽게 걷기 위해 기꺼이 비용을 지불하리라 생각한다.

행어는 오서(Ossur)와 함께 사용자가 맨발로 걷든 4센티미터 굽을 신고 있든 자동으로 높낮이가 조절되는 의족 장치도 개발하고 있다. 베리에 따르면 힘도 덜 들고 어떤 장치보다도 자연스러워 보일 것이라며 “어떤 보철물도 따라올 수 없다.”고 말했다.

(wired.daum.net) = By Rachel Metz