Lab Tour_KAIST Brain Reverse Engineering & Imaging Lab_김대식

[로봇공방 워크숍]

2차_뇌, 현실, 로봇 그리고 ROS &Gazebo

일시 : 2014년 4월 30일 수요일 오후 1시~
장소 : KAIST 뇌 역공학 및 영상연구실

주최 : 아트센터 나비

로봇공방 2차 워크숍은 아티스트들과 함께 KAIST 뇌 역공학 및 영상연구실을 방문하여 뇌과학자인 김대식 교수(KAIST 전기 및 전자공학과)를 만나 기술의 융복합으로 이루어지는 뇌과학 연구와 로봇에 대한 흥미로운 강의를 듣고 로봇 운영체제인 ROS (Robot Opersting System)와 물리적 환경 시뮬레이션이 가능한 Gazebo를 경험하였다.


[리뷰]

1부 : 뇌, 현실, 로봇 / 김대식 교수(KAIST 전기 및 전자공학부)

뇌의 결함과 폭력의 관계, 인간의 성격은 어떻게 결정되는가?

1848년 미국 버몬트의 철도회사에서 현장 감독으로 일한 피니스 게이지(Phineas Gage)는 공사 현장에서 다이너마트가 폭발하여 지름 10cm 쇠막대가 왼쪽 뇌를 관통하는 사고를 당했다. 쇠막대가 제거된 후 평소 성실하고 온유했던 피니스 게이지는 이유 없이 화를 내고 충동적이고 욕을 하는 등 폭력적인 성격을 드러내며 감정적으로 이상한 반응을 보였다. 연구 결과, 피니스 게이지(Phineas Gage)는 해당 사고로 긴장과 감정조절 기능을 관리하는 뇌의 전두엽 부위가 손상되어 이와 같은 문제가 나타났던 것으로 밝혀졌다.

피니스 게이지의 사례는 전두엽의 손상이 한 사람의 성격을 바꿀 수 있다는 점, 뇌의 변화가 인간의 성격에 영향을 미칠 수 있다는 점을 제시한 최초의 사례가 되었고 마음의 문제로만 여겼던 성격의 구조에 두뇌의 생물학적 기반으로서 전두엽의 기능(추상적인 생각, 판단, 예측, 충동 억제 등)은 새로운 뇌 연구의 중요한 단서로 역사적 의미를 갖는다.

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로저 스페리Roger Wolcott Sperry의 발견, 좌뇌와 우뇌는 어떤 기능을 하는가?

인간의 대뇌는 우뇌와 좌뇌라고 부르는 두 개의 반구로 나누어져 있다. 이 두 부분은 800만 개 뉴런의 복잡한 네트워크로 이루어져 있는 뇌량으로 연결되어 서로의 정보를 교환한다. 로저 스페리는 1960년대 초기에 수행된 좌우 뇌 반구 분리 실험을 통해 인간의 좌뇌와 우뇌가 각각 독립된 의식, 지각, 사고, 생각 및 기억을 가지고 있으며 서로 다른 기능을 수행한다는 것을 최초로 입증하여 1981년 노벨 생리의학상을 수상하였다.

로저 스페리는 간질환자의 뇌간을 끊어 인간의 말과 인지에 있어서 서로 다른 행위를 유도하는 테스트를 통해 두뇌의 뇌간을 끊어 좌우 반구를 분리하면 상호 정보 교환이 불가능해진 좌뇌와 우뇌는 2개의 기능으로 각각 분리됨을 밝혔다. 실험을 통해 뇌간이 끊긴 환자는 오른쪽 눈으로 본 것은 말할 수 있었지만 왼쪽 눈으로 본 것을 말하지 못했는데 그 이유는 인간이 받아들이는 감각 정보 중 왼쪽에서 들어오는 정보는 우뇌가 처리하고 오른쪽에서 들어오는 정보는 좌뇌가 처리하기 때문이다. 뇌간이 끊긴 환자는 좌뇌와 우뇌가 서로 정보 교환을 하지 못하기 때문에 언어 중추가 있는 좌뇌가 처리하는 오른쪽 눈으로 본 것은 말하지만 왼쪽 눈으로 본 것은 대답하지 못했다.

우리가 알고 있는 뇌의 중요한 기능은 사고이며 뇌는 각 부분별로 담당하는 기능이 다르다. 로저 스페리는 인간의 오른쪽 뇌는 인간의 감성, 창의성, 직관을 담당하고 왼쪽 뇌는 논리적 사고, 언어능력, 분석 능력을 담당함을 증명하였다.


완전한 기억에 대한 열망, 100% 완벽한 기억이 가능한가?

기억이란 어떤 자극(학습)을 느끼고 머리에 새겨두었다가 그 정보를 다시 상기할 수 있는 정신 기능을 말한다. 기억은 새로운 지식을 외워서 뇌에 입력하는 단계, 외운 것이 뇌에 저장되는 단계, 다시 회상하는 단계가 있다. 이 세 가지 단계 중 어느 하나라도 이상이 생기면 정확하게 기억할 수 없게 되고 이를 치매 또는 알츠하이머병에 걸렸다고 한다. 알츠하이머 병은 기억을 입력하는 데 중요한 구실을 하는 해마가 손상되거나 망가져 기억 정보가 입력되지 않아 기억하지 못하는 증상을 보이는 것이다.

그런데 우리는 경험을 100% 기억으로 바꾸지는 않는다. 모든 것을 완벽하게 저장하기에 우리 뇌의 용량은 너무 작다.

하버드대학교 인지심리학자 샥터Schacter와 워싱턴대학교 인지신경과학자 도빈스Dobbins는 fMRI를 이용한 신경 영상 연구를 통해서 우리가 기억을 떠올리는 것은 우리 뇌의 전전두엽의 인지 과정에서 일어나는 정보처리 과정이며 이 과정을 통하여 인간은 기억 인출을 위한 맥락 정보를 먼저 파악하고 실제로 떠오르는 정보를 구체화한 후 자신의 경험 환경과 가장 유사한 정보를 선택하고 인출한다고 발표한 바 있다.

뇌과학에서 기억은 있었던 정보를 완벽하게 꺼내는 것이 아니라 우리 주위의 영향과 사회적 상호 작용 속에서 남들에 의해 크게 왜곡될 수 있다는 오류와 허점이 있다.

* 해마(hippocampus) : 해마는 대뇌피질 밑에 존재하며 학습, 기억 및 새로운 것의 인식 등에 관여하며 감정 행동 및 일부 운동을 조절한다.

기억 보조 도구 : 라이프로깅Life-logging 프로젝트​

어렵고 힘든 기억 과정을 보조하는 도구를 찾아내려는 노력은 IT 산업의 발전과 함께 이루어졌다. 구글 글래스 프로젝트는 헤드마운티드 디스플레이와 음성 인식 기술이 결합된 ‘입는 컴퓨터Wearable Computer’ 기술을 안경에 구현하여 사용자가 경험하는 장면을 촬영하고 녹화하고 무선 인터넷을 통해 실시간으로 정보를​ 공유할 수 있다. 이처럼 인간이 경험하는 상황들을 착용 가능한 컴퓨터 장비를 통해 기록하고 저장하는 일을 ‘라이프로깅Life-logging 프로젝트’라고 한다.

마이크로소프트 리서치(Microsoft Research)는 목걸이형 착용 카메라인 ‘센스캠Sensecam’을 개발하였는데 센스캠은 착용자가 걸어 다니는 매 30초마다 영상을 촬영해 저장하는 기능을 수행한다. 영국 애든브룩(Addenbrooke) 병원의 메모리 클리닉은 기억상실증을 앓고 있는 참가자에게 센스캠을 사용하여 2주간의 인지 훈련을 진행하였다. 기억상실증 환자의 일상을 자연스럽게 녹화하여 저장한 후 이틀에 한번 환자의 기억을 먼저 떠올리는 테스트를 진행하고 전날의 경험을 녹화한 영상을 보여줌으로써 환자 스스로 자신의 기억을 더듬어 회상 기능의 활성화에 도움을 주었다.

또한 영국의 뇌신경과학자이자 심리학자인 콘웨이Conway는 갑작스럽게 발생한 범죄 현장에 대한 기억을 현장과 관련된 센스캠 이미지를 활용함으로써 뇌 활성화 반응을 높여 목격자로 하여금 사건 상황과 맥락, 디테일에 대한 기억 인출을 활성화 시키고 진술의 신빙성을 높여 주었다.


이처럼 센스캠 연구는 일상의 기억을 접근하는 인간의 행동 양상을 직접적이고 사실적인 기억 단서로 설명한다는 장점이 있다.

신체 보조 도구 : 로봇 팔을 움직이는 뇌

캐치 허친슨Cathy Hutchinson은 사지마비 장애인이다. 15년 동안 뇌졸중 휴유증으로 팔과 다리를 움직일 수 없었고 말도 할 수 없었다. 2012년 그녀는 브라운 대학교 연구팀의 도움으로 그녀의 생각대로 움직이는 로봇 팔을 제어하여 자신에게 음료를 제공하는 뇌 활동을 할 수 있게 되었다.

브라운 대학교Brown University의 신경과학자인 존 도노휴John Donoghue와 브레인케이트BrainGate 팀은 인간 뇌의 운동 중추가 있는 곳에 센서를 꽂아서 뇌의 문제로 마비가 있던 환자의 팔과 다리의 움직임을 되찾아주는 연구를 수행하였다. 신체가 마비된 사람들의 뇌는 몸과 연결이 끊어져 있어서 일상생활을 제대로 할 수가 없는데 이 때 뇌 신호는 근육을 통제할 수 없지만 컴퓨터와 로봇 림프 같은 기계 장치를 통해 움직임을 제어할 수 있다고 보았다. 마비된 사람의 두뇌에서 운동을 통제하는 부분에 센서를 연결하고 그 장치로 뇌 활동을 판단하여 컴퓨터로 정보를 보내면 컴퓨터가 정보를 디지털 신호로 바꾸어 사람의 움직임을 재현하기 위해 개발된 로봇 팔에 명령을 내려 움직임을 만들어낼 수 있는 것이다.

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2부 : ROS &Gazebo / 최한솔 박사, 박준철 박사과정(KAIST 뇌 역공학 및 영상 연구실)

뇌 역공학 및 영상 연구실 최한솔 박사, 박준철 박사과정의 소개로 로봇 개발용 중간 OS 시스템인 ROS(Robot Operating System)와 물리량과 시각화 방법 등을 조절하여 정해진 물리적 환경에서 로봇 시뮬레이션을 가능하게 하는 Gazebo를 경험하였다.
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앞으로의 컴퓨터는 어떻게 변화할까? 많은 연구진들은 현재의 컴퓨터에 한계를 인식하고 인간의 뇌에서 미래를 찾고 있다. 인간 뇌의 구조와 유사한 컴퓨터 칩을 만드는 연구가 진행되고 있기 때문이다. 미국 국방부의 중요한 연구 기관인 DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)는 세계 최고의 4개 대학과 IBM의 SYNAPSE(Systems of Neuromorphic Adaptive Plastic Scalable Electronics) 연구를 지원하고 있다. 이 프로젝트를 통해 개발된 칩은 인간 뇌의 고유 기능인 감각, 인지, 상호 작용이 가능할 것으로 기대된다. 미국 식약청에서는 이미 2009년 인간의 뇌에 칩을 꽂아서 진행하는 임상 연구 및 상용화를 허용하였고 뇌에 칩을 꽂는다는 일은 마치 SF 영화 속에서나 가능할 것 같은 이야기이지만 우리의 현실이 되고 있다. 컴퓨터 칩 기술과 뇌과학의 접점이 가까워지고 있으며 앞으로 IT 기술과 뇌과학, 생물학, 나노기술 등 다양한 학문간 융합이 더 중요해질 것으로 보인다. 미래 사회에서 우리 인간과 함께 살아가게 될지도 모를 로봇에 대한 많은 철학적 고민이 필요할 것이다.

* 리뷰 작성 : 이연경 학예연구원

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