상상만으로 로봇 팔 움직인다.. KAIST '뇌-기계 인터페이스' 개발

기사내용 요약
정재승 교수팀, 서울의대 정천기 교수팀과 디코딩 공동 연구
기계학습 알고리즘 이용, 대뇌피질 신호로 사용자 상상 예측
다양한 의료보조기기 개발 활용 기대감…국제학술지에 발표

[대전=뉴시스] 팔 동작 방향 상상 뇌 신호 디코딩 알고리즘 개념도. 팔을 뻗는 동작을 상상할 때 발생하는 대뇌피질신호에서 방향 정보 관련 특성을 선별해 디코딩 모델을 구축하고 이를 통해 상상된 팔의 이동궤적을 예측한다. *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 생각만으로 로봇 팔을 제어할 수 있는 디코딩 기술이 개발돼 검증을 마쳤다.

KAIST는 뇌인지과학과 정재승 교수 연구팀이 인간의 뇌 신호를 해독해 생각만으로 로봇 팔을 원하는 방향으로 제어할 수 있는 '뇌-기계 인터페이스 시스템'을 개발했다고 24일 밝혔다.

서울의대 신경외과 정천기 교수팀과 공동연구로 진행된 이번 연구에서 정 교수팀은 뇌전증 환자를 대상으로 팔을 뻗는 동작을 상상할 때 관측되는 대뇌 피질 신호를 분석해 환자가 의도한 팔 움직임을 예측하는 상상 뇌 신호 디코딩 기술을 개발했다.

이 디코딩 기술은 실제 움직임이나 복잡한 상상이 필요하지 않기 때문에 운동장애를 겪는 환자가 장기간 훈련 없이도 자연스럽고 쉽게 로봇 팔을 제어할 수 있어 다양한 의료기기에 폭넓게 적용될 수 있다.

KAIST 바이오및뇌공학과 장상진 박사과정이 제1저자로 참여한 이번 연구는 뇌공학 분야의 국제 학술지 '저널 오브 뉴럴 엔지니어링(Journal of Neural Engineering)' 9월 19권 5호에 출판됐다.(논문명:Decoding trajectories of imagined hand movement using electrocorticograms for brain-machine interface).

뇌-기계 인터페이스는 인간이 생각만으로 기계를 제어할 수 있는 기술로 인간이 팔을 움직일 때 뇌에서 발생하는 전기신호를 측정하고 기계학습 등 다양한 인공지능 분석기법을 통해 뇌 신호를 해독, 의도한 움직임을 뇌 신호로부터 예측할 수 있는 디코딩 기술이 전제돼야 한다.

뇌 신호 디코딩 기술은 팔의 실제 움직임이 아닌 상상 뇌 신호에서 어느 방향으로 사용자가 상상했는지 예측할 수 있어야 하지만 상상 뇌 신호는 실제 움직임의 뇌 신호보다 신호대잡음비(signal to noise ratio)가 현저히 낮아 팔의 정확한 방향을 예측하기가 쉽지 않다.

이번에 연구팀은 사용자의 자연스러운 팔 동작 상상을 공간해상도가 우수한 대뇌 피질 신호(electrocorticogram)로 측정하고 기계학습 기법을 활용해 직접 측정이 어려운 팔 동작의 방향 정보를 계산할 수 있는 디코딩 기술을 처음으로 개발했다.

[대전=뉴시스] KAIST 정재승 교수. *재판매 및 DB 금지

연구팀의 팔 동작 상상 신호 분석기술은 운동피질을 비롯한 특정 대뇌 영역에 제한되지 않아 사용자마다 다른 상상 신호와 대뇌 영역 특성을 맞춤형으로 학습해 최적의 계산모델 파라미터 결과 값을 출력할 수 있다.

특히 연구팀은 대뇌 피질 신호 디코딩을 통해 환자가 상상한 팔 뻗기 방향을 최대 80% 이상의 정확도로 예측할 수 있음을 확인했다.

또 계산모델을 분석해 방향 상상에 중요한 대뇌의 시공간적 특성을 밝혔고 상상하는 인지적 과정이 팔을 실제로 뻗는 과정에 근접할수록 방향 예측정확도가 더 높아질 수 있다는 사실도 밝혀냈다.

연구팀이 개발한 팔 동작 방향 상상 뇌 신호 분석기술은 향후 사지마비 환자를 비롯한 운동장애를 겪는 환자를 대상으로 로봇 팔을 제어할 수 있는 뇌-기계 인터페이스 정확도 향상, 효율성 개선 등에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다.

정재승 교수는 "장애인마다 상이한 뇌 신호를 맞춤형으로 분석해 장기간 훈련을 받지 않더라도 로봇 팔을 제어할 수 있는 기술은 매우 혁신적이다"며 "이번 기술은 향후 의수를 대신할 로봇팔을 상용화하는 데에도 크게 기여할 것"이라고 말했다.

제1저자인 장상진 박사과정은 "대뇌 피질 신호 분석을 통해 상상 신호만으로 팔의 이동궤적을 높은 정확도로 예측했고 이는 사용자가 움직임 없이 오로지 생각만으로 구동장치의 방향 제어가 가능하다는 것을 보여주는 결과"라면서 "보조기술 개발을 위한 뇌-기계 인터페이스 연구에 활발히 사용될 것으로 기대한다"고 밝혔다.

☞공감언론 뉴시스 kys0505@newsis.com