요즘 바이오산업을 포함한 과학기술분야에서 다방면의 획기적인 연구 실적으로 주목받고 있는 과학기술원이 있다. 바로 대구경북과학기술원(이하 DGIST)이다.

[이미지 제공=DGIST 홈페이지, 저작권자로부터 이미지 사용 허락을 받음]

 

 대구경북과학기술원(大邱慶北科學技術院, Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology)은 2004년 국책연구기관으로 출범하여 2011년 대학원 석·박사 과정을 개설했고, 2014년 학부과정을 개설해 교육을 시작한 기관이다.

 

 DGIST는 첨단과학기술의 혁신을 선도할 고급과학 기술인재를 양성하고 지역산업의 기술적 발전 및 경쟁력 향상을 위하여 지식기반산업 및 첨단 과학 분야를 연구 개발하는 중이다. 그 성과를 보급함으로써 지역균형발전과 국가과학기술발전에 이바지하겠다는 목적 아래 3대 교육 철학인 융·복합 교육, 리더십 교육, 기업가정신 교육을 진행한다.

 

 신물질, 정보통신, 첨단의료로봇, 그린에너지, 뇌과학, 뉴바이올로지를 특화 육성 분야로 삼아 융·복합 교육 및 연구, 학·연 상생협력, 기초 과학공학 중심의 학부교육, 상호보완적 국가수월성 추구, 글로벌 캠퍼스 조성, 지역산업의 경쟁력 강화, 최상의 교육·연구 환경 조성을 핵심 추진 전략으로 한다.

 

 4C 인재상을 가지고 있는 DGIST는 창의(Creativity), 도전(Challenge), 협력(Collaboration), 배려(Care)를 갖춘 학생을 선발하고자 한다. 이들은 임무(Mission), 비전(Vision), 열정(Passion)의 일명 M.V.P 정신을 가지고 성장하면서 미래 융·복합 기술을 창출하는 지식창조형 글로벌 인재로서 성장하게 된다.

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 DGIST만의 특색 몇 가지를 소개하겠다. 우선 DGIST에서는 UGRP의 융·복합 연구 프로젝트를 통해 기초과학 및 공학 중심의 학부교육을 받을 수 있다. 학부교육 전담 교수제로 학부 학생들만을 위한 연구지도 및 멘토링을 지원함으로써 학생들이 교육 주체로써 학습할 수 있도록 한다. 또한 융·복합 전자교재 사용으로 학문간 융합 학습이 가능하도록 한다.

 

 학사 과정은 무학과 단일학부인 융·복합 기초학부이며 석·박사 과정으로는 신물질과학전공, 정보통신융합공학전공, 로봇공학전공, 에너지시스템공학전공, 뇌인지과학전공, 뉴바이올로지전공으로 총 6개의 전공이 있다. 한국뇌연구원, 중앙기기센터, 실험동물센터, 기초과학연구원(IBS) 식물노화·수명연구단, 슈퍼컴퓨팅·빅데이터센터를 연구처 및 부설기관으로 두고 있다.

 

 DGIST에서는 기관 견학을 지원하고 있어 대학탐방을 할 수 있다(자세한 사항은 DGIST 홈페이지 참조). 기관 견학에서는 강의실, 도서관, 그룹 스터디룸 등 학생들이 생활하는 공간뿐만 아니라 로봇공학관의 마이크로 의료로봇 연구실, 재활 로봇 연구실, 신경 인터페이스 연구실 등을 탐방하며 각 연구 주제에 대한 설명을 자료를 통해 직접 들을 수 있다. DGIST에는 다양한 연구실이 존재하고 분야별 연구를 계속 진행 중이다.

 

 특히, 김소희 교수님 연구실의 신경 인터페이스 연구실에서는 신경에서 발생하는 신호를 읽어 내거나 또는 신경에 신호를 제공할 수 있는 신경 인터페이스 장치, 신경 질환을 치료하기 위한 다양한 신경자극 방법, 건강상태의 모니터링/진단/치료/재활에 사용될 마이크로 디바이스 및 시스템을 연구한다. 이러한 연구에 있어서 핵심적인 기술 요소로는 마이크로제조기술(MEMS), 디바이스 패키징, 생체적합하고 안전성이 높은 소재의 선택 및 가공 등을 들 수 있다. 특히 본 연구실에서는 표면형 및 침습형의 미세신경전극, 광학적 신경자극 및 이식형 자기자극, 웨어러블 신축성 센서, 임플란트의 영향 분석을 위한 유한요소해석 등을 주로 연구하고 있다.

 

[이미지 촬영=대한민국청소년기자단 7기 신온유기자]

 

 이에 신경 인터페이스 연구에 대한 구체적인 설명을 듣기 위해 DGIST 김소희 교수님께 인터뷰를 요청했다.

   

Q. 신경에서 발생하는 신호를 읽어 내거나 신경에 신호를 제공할 수 있는 신경 인터페이스 장치들에 대한 설명을 들으며 큰 인상을 받았습니다. 최근 교수님 연구실에서 실명된 환자에게 다시 사물의 형상이나 글자를 볼 수 있게 해 주는 인공 망막 장치에 들어갈 전극에 대한 연구가 진행 중이라는 설명도 들었는데요. 뇌 또는 말초에 분포한 신경세포와 몸 밖의 인공적인 시스템을 연결하는 인터페이스 기술이 가지는 가장 큰 장점은 무엇인가요?

A. 가장 큰 장점이라면 뇌에서 나오는 신호, 즉 나의 생각만으로 몸 밖의 시스템을 제어할 수 있다는 것입니다. 내가 나의 팔이나 다리를 움직이는 것처럼, 어떻게 움직이고 싶다는 의도를 가지면 그 의도가 뇌 속 신경세포에서 전기적인 신호의 형태로 발현되고, 그 신호를 잘 읽어내고 밖으로 내보낼 수 있는 좋은 인터페이스 기술이 있다면 그 신호를 사용해서 몸 밖에 있는 로봇 등을 움직일 수 있게 되는 것이죠. 이런 방식을 사용한다면 마치 내 몸의 일부를 움직이는 것처럼 자연스럽고 정교한 움직임이 가능해질 것입니다.

인공 망막 장치는 조금 다른 얘기인데, 망막 장치는 외부 자극을 우리 몸으로 전달해 주는 역할을 합니다. 즉, 위에 설명한 뇌 신호로 외부 장치를 구동하는 것과는 신호의 전달 방향이 반대입니다. 외부에서 주어지는 빛 자극을 받아들이는 망막 세포가 손상된 경우, 손상된 세포를 대신하여 직접 전기적인 신호가 시신경으로 들어갈 수 있도록 해 주는 장치입니다. 이 경우도 마찬가지로 전기적인 신호를 세포에 전달해 줄 수 있는 인터페이스 기술이 핵심이 되는 것이죠.

   

Q. 또한 가변성이 좋은 폴리머 소재를 기반으로 웨어러블 센서에 대해 연구 중이신데요. 센서는 피부에 부착하거나 장기나 조직 표면이라는 상당히 특수한 장소에 부착됩니다. 센서가 온전히 작동하기에 어려운 환경이라는 생각이 드는데요. 그럼에도 로봇과 인체의 신경이 완전히 통합되기 위해서 신경 인터페이스 분야의 연구가 매우 중요하다고 생각합니다. 이런 측면에서 MEMS가 갖는 강점을 설명해주신다면 어떤 것이 있을까요?

A. MEMS는 미세기계전자시스템(micro-electro-mechanical system)을 말하는데, 마이크로미터 단위의 크기를 가지고 전기적인 기능을 수행할 수 있는 기계적 구조물들을 말합니다. 매우 작은 초정밀 센서나 구동기(기어 등)를 생각하면 되겠습니다. 우리 몸속에 존재하는 세포의 크기가 수 마이크로미터에서 수십 마이크로미터 정도의 크기이니, MEMS 기술을 사용하면 몸속 세포와 상호작용이 가능한 초정밀 장치를 만드는 게 가능해집니다. 이런 기술을 사용하여 초소형 전극을 만들어서 신경세포 하나하나와 신호를 주고받을 수 있는 신경 인터페이스를 만드는 연구가 DGIST에서 진행되고 있습니다. 또, 피부나 장기, 조직 표면에 밀착이 가능하도록 매우 얇고 유연하고 잘 늘어나는 센서를 제작할 때도 MEMS 기술이 사용되고 있습니다.

   

Q. 교수님께서 연구하시는 분야인 신경 인터페이스 연구가 지속된다면 어떤 방향으로 발전될지 혹은 이 분야가 발전하면서 가능하게 될 긍정적 변화는 어떤 것들일까요? 

A. 신경 인터페이스를 로봇에 적용한다는 측면에서는 궁극적으로 인체와 기계간의 양방향 연결을 추구할 것입니다. 즉, 몸에서 신호를 읽어내어 기계를 작동시키는 것과 외부 센서에서 받아들인 신호를 몸속으로 보내어 감각을 느끼게 하는 것 모두가 가능해지는 것이 앞으로의 연구 방향이라 생각하고 있습니다.

이런 신경 인터페이스 기술은 상실된 신체 기능을 대체하는 곳에 가장 우선적으로 쓰일 것입니다. 예를 들어, 시력이나 청력을 상실한 환자들에게 감각을 복원해 주는 장치는 이미 사용되고 있습니다. 팔, 손, 다리 절단 환자들, 뇌졸중 등으로 팔다리가 마비된 환자들에게 운동기능을 복원해 주려는 용도로 쓰려는 연구가 현재 진행 중이며, 그다음으로 치매, 우울증, 중독 등 뇌신경계 질환의 치료 용도로 쓰이게 될 것입니다. 즉, 신경 인터페이스 장치를 몸속에 심어도 좋다고 생각할 정도로 일상생활이 어려운 환자들이 우선적으로 사용하게 될 것입니다.

더 먼 미래에는 환자가 아닌 일반인의 경우에도 기억 증강이나 신체 기능 강화, 아바타 조종 등의 목적을 위해 사용될 수도 있겠습니다만, 이런 일은 많은 윤리적, 사회적인 논의가 동반되어야 할 것입니다.

   

 신경 인터페이스 연구실 김소희 교수님 참여 논문인 “Recording nerve signals in canine sciatic nerves with a flexible penetrating microelectrode array”, Donghak Byun, Sung-Joon Cho, Byeong Han Lee, Joongkee Min, Jong-Hyun Lee, Sohee Kim, Journal of Neural Engineering, (2017)을 보면 로봇 팔, 다리는 물론 자연스러운 움직임이 가능한 신경신호 기반 최첨단 의수, 의족 등의 개발에 필요한 핵심기술인 말초신경 인터페이스 기술이 개발되었음을 알 수 있다. 이 기술을 이용하면 신경전극을 통해 자극 신호를 신경세포로 역으로 주입할 수도 있어 의수에 가해진 촉감, 온도 등의 감각까지도 느끼게 할 수 있다는 데에서 큰 의의를 갖는다.

 

 또한 “High-performance, polymer-based direct cellular interfaces for electrical stimulation and recording”, Seong-Min Kim, Nara Kim, Youngseok Kim, Min-Seo Baik, Minsu Yoo, Dongyoon Kim, Won-June Lee, Dong-Hee Kang, Sohee Kim, Kwanghee Lee & Myung-Han Yoon, NPG Asia Materials, (2018) 논문에 의하면 수중에서 안정한 고성능 폴리(3,4-에틸렌 디옥시티오펜)를 기반으로 투명하고 전도성 있는 세포 인터페이스가 개발되었다고 한다.

 

 놀라운 점은 이와 같은 연구에서 확보한 신경 인터페이스 기술을 활용하면 생각대로 움직이고 감각을 느낄 수 있는 최첨단 의수, 의족 등의 개발이 가능하다는 사실이다. 인터페이스 기술은 향후 미래형 의수, 의족, 각종 운동, 감각기능 복원을 위한 첨단 의료기기 개발에 활용될 전망이다.

 

 DGIST는 특히 바이오산업 분야에서 인류를 위한 연구를 계속하고 있으며 실적 또한 뛰어나 그 영향력을 대외적으로 인정받고 있다.

 

 새로운 과학 기술들이 다방면에서 개발되고 있는 만큼 앞으로 인류의 삶이 보다 윤택해질 것이며 획기적으로 변화할 것이라 예측된다. 연구자의 육성과 활발한 연구 분위기 조성을 위한 노력이 계속된다면 우리나라에서도 전 인류에 공헌하는 기술이 개발될 것이라 기대할 수 있겠다.

 

[대한민국청소년기자단 IT·과학부=7기 신온유기자]