죽음을 건너뛰는 인간, 상상이 만든 질문

봉준호 감독의 영화 <미키17>은 파격적인 설정으로 시작한다. 주인공 미키는 죽을 때마다 새로운 몸으로 다시 태어나며, 이전의 기억과 의식은 그대로 이어진다. 극 중 인류는 얼음 행성 ‘니플하임(Niflheim)’을 식민 개척지로 제시하며, 혹독한 환경에 맞서기 위해 ‘소모성 인간’을 재프린팅해 개척을 시도한다. 마치 죽음을 건너뛰는 듯한 이 설정은 얼핏 비현실적으로 보이지만, 사실은 인류가 오랫동안 품어온 꿈과도 맞닿아 있다. 바로 복제인간, 의식 전송, 그리고 죽음을 넘어선 ‘디지털 불멸’이다.

복제와 의식 전송: 뇌를 데이터로 다루다

1996년에 태어난 복제 양 ‘돌리’는 1997년 공식 발표와 함께 성체 세포에서도 복제가 가능함을 전 세계에 각인시켰다. 그러나 단순히 육체를 복제한다고 해서 곧바로 ‘나’라는 존재가 이어지는 것은 아니다. 영화 <미키 17>의 핵심은 몸이 아닌 의식의 전송이다. 기억과 성격, ‘자아’를 데이터처럼 옮겨 담는 데 있다.

실제로 과학계에서는 ‘마인드 업로딩(Mind Uploading)’이라는 이름으로 이 개념이 연구되고 있다. 뇌 속 수십억 개의 뉴런과 수백조 개의 시냅스를 정밀하게 기록해 컴퓨터로 재현하는 방식이다. 인간의 뇌 용량은 수백 테라바이트에서 최대 수 페타바이트까지 추정되며, 이는 때로 인터넷 전체 데이터에 근접한 규모로 비유되기도 한다. 이 방대한 정보를 처리하려면 초대형 데이터센터, 초고속 메모리, 그리고 인간의 뇌를 모방한 뉴로모픽 칩 등이 필요하다.

주요 반도체 기업들도 뇌처럼 신호를 병렬 처리하는 칩을 개발하고 있으며, 세계 각국은 ‘브레인 프로젝트’를 통해 두뇌 시뮬레이션 연구를 이어가고 있다. 미래학자 레이 커즈와일(Ray Kurzweil)은 “2045년이면 인간의 뇌와 기계는 연결될 것”이라 전망한 바 있다. 이는 곧, <미키 17> 속 상상이 머나먼 공상이 아니라 현실의 뉴스로 다가올 수 있음을 시사한다.

우주 개척의 동반자, AI 반도체

위에서도 언급했듯, <미키17>의 또 다른 무대는 얼음 행성 ‘니플하임’이다. 니플하임의 개척은 현실의 화성 탐사와 맞닿아 있다. 인류는 이곳에 식민지를 건설하려 하지만, 가혹한 환경 속에서 살아남기 위해 복제인간을 소모품처럼 투입한다. 현실에서도 인류가 화성이나 달에 정착하기 위해서는 먼저 로봇과 AI가 첨병이 되어야 한다.

실제로 NASA의 화성 탐사 로버 ‘퍼서비어런스(Perseverance)’는 방사선에 강한 프로세서와 메모리, 광학센서, 머신러닝 알고리즘 등을 탑재해 로버의 상태를 스스로 점검하고 장애물을 피해 탐사할 수 있다. 지구와 달 사이에는 통신 지연이 몇 초에 불과하지만, 화성이나 더 먼 행성과의 통신은 최대 수십 분까지 걸리기 때문에, 로봇이 스스로 상황을 인식하고 판단해야 한다. 앞으로 우주 정착 과정에서 필수적인 산소 생산, 거주지 건설, 자원 채취와 같은 핵심 과제를 수행하는데 있어 반도체의 중요성은 계속 커질 것이다.

영화 속 개념과 현실 기술의 대응

영화 <미키 17>의 공상과학적 설정은 얼핏 허구처럼 보이지만, 오늘날 반도체, IT, 바이오 산업이 직면한 과제와 절묘하게 겹친다. 복제인간부터 의식 전송, 죽음 극복, 우주 이주, 그리고 자율 제어에 이르기까지. 영화 속 상상이 실제 기술 연구와 맞닿아 있는 지점을 짚어보자.

복제인간 – DNA 칩

단순히 세포를 복제하는 수준으로는 ‘나’라는 존재를 재현하기 어렵다. 복제인간을 가능하게 하려면 방대한 유전자 정보를 빠르게 해독하고 정밀하게 제어해야 한다. 이 과정에서 활용되는 것이 바로 DNA 칩이다. 이 칩은 DNA 데이터를 빠르게 처리해 특정 유전자를 편집하거나 원하는 방식으로 세포를 배양할 수 있게 돕는다. 이러한 기술은 맞춤형 세포 배양, 인공 장기 제작, 유전자 치료 연구의 기반이 되고 있다. 아직 ‘복제인간’은 현실에서 불가능하지만, 개인 맞춤형 의료와 합성생물학은 반도체 기술 덕분에 빠르게 진전되고 있다.

의식 전송 – 뉴로모픽 프로세서, 초고속 메모리

의식을 다른 몸이나 기계로 옮기려면 뇌 속에서 발생하는 신호를 디지털화해야 한다. 이때 주목받는 기술이 뉴로모픽 프로세서와 초고속 메모리다. 뉴로모픽 프로세서는 인간 뇌의 신경망 구조를 모방해 기존 CPU나 GPU보다 훨씬 적은 에너지로 학습·연산을 수행하며, HBM이나 GDDR 같은 초고속 메모리는 방대한 신경 신호와 기억 데이터를 지연 없이 전송할 수 있는 기반을 제공한다.

죽음 극복 – 클라우드 데이터센터, AI 아바타

죽음을 극복한다는 발상은 곧 ‘나’라는 존재를 데이터로 저장해 사라지지 않게 하는 것이다. 오늘날 클라우드 데이터센터는 이미 인류가 생산하는 방대한 디지털 정보를 보관하고 있다. 여기에 AI 아바타 기술이 접목되면, 단순한 기록 저장을 넘어 개인의 말투나 행동까지 재현할 수 있다. 즉, 디지털 세계에서 ‘나’라는 존재가 다시 살아 움직이는 셈이다. 실제로 일부 국가에서는 고인의 목소리와 대화 패턴을 학습한 ‘메모리얼 AI’ 서비스가 등장하기도 했다. 완전한 ‘불멸’은 아니지만, 죽음을 초월한 디지털 존재의 서막이 열리고 있는 셈이다.

우주 이주 – 방사선 내성 칩, 우주환경 센서

인류가 지구를 넘어 다른 행성에서 정착하기 위해서는 무엇보다 극한 우주 환경을 견뎌야 한다. 이때 필요한 것이 방사선 내성 칩(Rad-Hard Chip)이다. 우주 공간에서는 지구보다 훨씬 강한 방사선이 쏟아지며, 일반 반도체는 우주 방사선에 취약하다. 방사선 내성 칩은 이러한 환경에서도 안정적으로 작동해 우주선의 제어 시스템과 주요 인프라를 지탱한다. 또한 우주환경 센서는 대기 조성, 온도, 자원 상태를 실시간으로 감지해 인간이 정착할 수 있는 환경을 만드는 데 기여한다.

자율 제어 – AI 칩

우주 탐사에서는 지구와의 거리가 멀어 통신 지연이 길어질 수밖에 없다. 따라서 탐사 로봇은 인간의 개입 없이 스스로 상황을 분석하고 즉각적으로 판단할 수 있는 자율 제어 능력이 필요하다. 이를 가능케 하는 것이 바로 AI 칩이다. AI 칩은 복잡한 인공지능 연산을 빠르게 처리하고, 현장에서 실시간으로 데이터를 분석해 즉각적인 의사 결정을 내릴 수 있도록 지원한다.  덕분에 탐사 로봇과 우주선은 인간의 지시를 기다리지 않고 탐험, 자원 채취, 기지 건설 같은 임무를 수행할 수 있다.

상상이 기술의 엔진이 될 때

과거를 돌아보면 SF 책이나 영화는 종종 기술 로드맵을 앞서 그려왔다. <스타트렉>의 ‘커뮤니케이터’는 휴대폰이 되었고, <2001 스페이스 오디세이>의 ‘HAL 9000’은 인공지능 연구에 영감을 주었다. 마인드 업로딩 기술은 조금씩 연구가 진전되고 있으며, 뉴로모픽 칩·대규모 신경 기록·연산 인프라는 더 이상 막연한 상상이나 공상만은 아님을 보여준다. 다만 불멸과 같은 급진적인 주제는 여전히 윤리적인 문제나 법의 교차점에 있다.

그럼에도 분명한 건, 이 모든 접점에 데이터를 저장하고, 감각을 디지털화하며, 자율 기계를 움직이고, 혹독한 우주를 버티게 하는 도구로서 반도체가 있다는 사실이다. 반도체는 단순한 전자부품이 아니라 인간의 상상을 현실로 바꾸는 핵심 도구다. 칩 위에 기억을 저장하고, 칩 위에서 로봇이 우주를 개척하며, 칩 위에서 새로운 사회가 돌아간다.

영화 <미키17>은 묻는다. “인간은 죽음을 넘어설 수 있을까? 그 미래를 가능케 할 기술은 무엇일까?” 우리가 가진 답은 놀라울 만큼 구체적이다. 뉴로모픽 칩, DNA 칩, 우주환경 센서 그리고 거대한 데이터 인프라. 모두 반도체의 언어로 쓰인 SF를 현실로 번역하는 문법들이다.

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※ 본 칼럼은 외부 필진의 견해로, 삼성전자 DS부문의 공식 입장과 다를 수 있습니다.

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보통 세포 하나가 곧 개체인 미생물에게 자연 환경은, 다세포 생물을 이루는 개별 세포가 경험하는 조건과는 비교할 수 없을 만큼 가혹하다. 예를 들어, 인간을 비롯한 항온동물의 세포는 일정한 온도와 산도(pH), 그리고 안정적인 양분 공급이 유지되는 체내 환경 속에서 마치 온실 속 화초처럼 보호받으며 살아간다.

반면, 자연 속 미생물은 하루에도 여러 차례 변화하는 기온, 불규칙한 햇빛과 수분, 예측할 수 없는 영양분 공급 속에서 치열한 생존을 이어간다. 이들은 외부 자극에 실시간으로 반응하고, 스스로 먹이를 탐색하며, 유해 물질을 회피하는 등 치밀하고 능동적인 생존 전략을 구사한다. 결국, 거친 서식 환경이 미생물을 단련시켜 온 셈이다.

생물학적 관점에서 볼 때, 미생물이 지닌 정밀하고 민감한 감지 능력은 오랜 시간에 걸친 자연선택의 산물이다. 이는 변화무쌍한 환경 속에서 살아남기 위해 미생물이 스스로 진화시켜 온 정교한 생존 전략이다. 한때 하찮고 불쾌한 존재로 여겨졌던 미생물이 이제는 오염을 감지하고, 질병을 진단하는 첨단 센서로 주목 받는 이유도 바로 여기에 있다.

이른바 ‘미생물 바이오센서’란 세균과 같은 살아 있는 미생물 세포가 특정 화학 물질이나 생체 신호를 감지한 뒤, 형광, 색 변화, 전류와 같은 측정 가능한 신호로 변환하는 시스템을 의미한다. 현재 이 기술은 환경, 의료, 식품 안전 등 다양한 분야에서 실생활의 문제를 해결하기 위한 핵심 수단으로 활발히 연구되고 있다.

생명을 움직이는 전자, 전기를 만드는 세균

선뜻 믿기 어려울 수도 있지만, 인간을 포함한 모든 생명체는 전기를 만들어낸다고 할 수 있다. 호흡 자체가 전자의 흐름, 즉 일종의 전류이기 때문이다. ‘호흡’이란 날숨의 ‘호(呼)’와 들숨의 ‘흡(吸)’이 합쳐진 말이다. 생물학적으로는 산소가 풍부한 외부 공기를 들이마셔 기도를 거쳐 폐로 보내고, 이산화탄소가 많은 체내 공기를 배출하는 과정, 즉 기체 교환을 의미한다. 허파꽈리(폐포)에서 기체 교환을 마친 혈액은 심장을 통해 온몸으로 산소를 공급한다. 그런데 세포에 도달한 산소의 궁극적인 역할은 무엇일까? 그 답은 바로, 영양소에서 에너지를 얻기 위해서다. 세포에서 일어나는 이러한 에너지 획득 과정이 바로 ‘세포호흡’이다. 세포는 소화된 영양소를 산소와 반응시켜 에너지를 얻는다.

이 세포호흡은 사실상 연소와 같은 화학반응이다. 인공호흡이나 모닥불에 부채질을 하는 모습을 떠올려보자. 산소는 꺼져가는 생명이나 불씨에 다시 활력을 불어넣는 존재다. 우리 몸 역시 각 세포에서 영양분을 태우고 있으며, 체온이 그 증거다.

연소와 세포호흡은 본질적으로 산소와 결합해 에너지를 방출하는 산화 반응이며, 이때 최종적으로 생성되는 산물은 ‘물(H₂O)’이다. 참고로, 수소를 얻는 반응은 ‘환원’이라고 한다. 겨울철 자동차 배기구에서 나오는 흰 연기나 우리의 입김 역시 이 산화 반응으로 생성된 수증기다. 다만, 연소는 에너지를 빠르고 폭발적으로, 세포호흡은 여러 단계에 걸쳐 천천히 방출한다는 점이 다르다.

포도당(C₆H₁₂O₆)처럼 수소가 풍부한, 즉 환원된 물질은 많은 에너지를 저장하고 있다. 세포는 이를 서서히 산화시켜 전자와 수소이온(H⁺)을 분리해낸다. 이 전자와 양성자는 산소와 결합해 물이 되고, 그 과정에서 생명 활동에 필요한 에너지가 생성된다. 우리가 마시는 산소는 결국, 수많은 생화학 반응을 거쳐 나온 전자들의 최종 목적지이자 휴식처가 된다. 이를 두고 1937년 노벨 생리의학상 수상자 ‘얼베르트 센트죄르지(Albert Szent-Györgyi)’는 “생명이란 쉴 곳을 찾는 전자”라고 표현했다.

그런데, 자연에서는 전자를 마지막에 받아주는 역할을 꼭 산소만 하는 것은 아니다. 많은 세균은 산소 없이도 생존할 수 있으며, 일부는 주변의 금속 물질을 전자 수용체로 활용하는 독특한 전략을 진화시켜 왔다. 더 놀라운 것은, 어떤 세균은 세포 밖에 있는 전자 수용체에도 전자를 전달할 수 있다는 사실이다. 이들은 세포 표면의 특수 단백질이나 가느다란 실 같은 구조를 이용해, 전자를 세포 밖으로 내보낸다. 이렇게 세포 외부로 전자를 직접 전달하는 방식을 ‘세포외 전자 전달(Extracellular Electron Transfer, EET)’이라고 부른다.

이 원리를 활용하면, 세균이 숨 쉬는 것만으로도 전류를 생성할 수 있으며, 실제로 이 능력은 미생물 연료전지(Microbial Fuel Cell)나 바이오센서 같은 다양한 생명공학 기술에 응용되고 있다. 미생물 연료전지는 미생물의 호흡 과정을 이용해 화학 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 장치다. 쉽게 말해, 연료전지 안에 특정 미생물을 넣고, 수소 같은 연료 대신 유기물을 먹이로 주면, 미생물은 세포호흡 과정에서 전자를 배출하고, 이 전자가 전극을 따라 흐르며 전류를 발생시키는 방식이다.

세균이 전하는 수질 신호

2025년, 노르웨이 연구진이 생물학적 산소요구량(Biological Oxygen Demand, 이하 BOD)을 실시간으로 측정할 수 있는 미생물 바이오센서를 개발했다. 핵심 역할을 한 것은 헝가리 다뉴브 강 퇴적토에서 분리된 ‘슈와넬라 발티카 20(Shewanella baltica 20)’라는 세균이다. 이 세균은 세포 밖으로 전자를 효과적으로 전달하고, 전극 표면에 안정적으로 부착해 살아갈 수 있는 능력을 갖고 있다. 연구진은 이 세균을 미생물 연료전지의 한쪽 전극에 접종한 뒤 실험을 진행했다.

이 미생물 연료전지의 전극 크기는 가로와 세로가 각각 20mm이며, 두 전극은 5mm 간격으로 배치되었다. 연구진은 이 장치에 세균을 접종한 뒤, 포도당을 일정 농도로 공급하며 전류 반응을 관찰했다. 그 결과, 포도당 농도가 약 50~300mg/L 사이일 때 생성되는 전류의 세기가 농도에 비례해 증가하는 것을 확인했다. 즉, 이 범위 내에서는 전류 측정만으로도 BOD 값을 정확히 추정할 수 있다는 뜻이다.

또한, 외부 저항을 조절함으로써 센서의 감지 범위를 유연하게 조정할 수 있다는 점도 주목할 만하다. 저항을 낮출수록 더 높은 농도까지 반응을 감지할 수 있었는데, 이는 마치 현미경의 초점을 조절하듯 센서의 민감도를 조정하는 것과 같은 원리다. 이번 연구 결과는 슈와넬라 발티카 20이 폐수의 BOD를 실시간 온라인 모니터링하는 데 유용하게 활용될 수 있음을 시사한다.

생체 속으로 들어간 유익균, 암을 찾아내다

2015년, MIT와 UC 샌디에이고 공동 연구진은 특별한 대장균, ‘EcN(E. coli Nissle 1917)’에 아주 특별한 임무를 맡겼다. 사람에게 안전한 유익균(프로바이오틱스)으로 알려진 이 대장균을, 간에 전이된 암을 찾아내고 그 사실을 소변으로 알려주는 미생물 바이오센서로 만든 것이다. 연구진은 이 EcN을 실험용 쥐에게 경구 투여했다. 그러나 균은 장에만 머무르지 않고, 혈류를 따라 간으로 이동했다. 놀랍게도 건강한 간이나 다른 장기에는 거의 도달하지 않았고, 간에 전이된 암 조직에만 선택적으로 정착했다. 이는 암 조직이 정상 조직에 비해 면역 감시가 느슨하고, 죽은 세포 및 염증 반응이 많아 세균 증식에 유리한 환경이기 때문으로 추정된다.

연구진은 EcN이 종양 주변의 낮은 산소 농도, 염증 유발 물질, 산성 환경 등 정상 조직과 구별되는 조건에만 반응하도록 유전자 회로를 설계했다. 이 회로는 일종의 생물학적 스위치처럼 작동하며, 해당 조건이 감지되었을 때만 특정 신호 단백질 유전자가 켜지도록 되어 있다. 이 단백질은 별도로 주입한 물질을 분해해, 소변으로 배출되는 형태로 전환한다. 그 결과 생성된 물질은 소변 한 방울만으로도 감지될 정도로 민감하며, 실제로 연구진은 EcN을 섭취한 실험쥐가 단 하루 만에 암 유무를 신호로 알려준다는 사실을 확인했다.

또한 연구진은 EcN을 투여한 실험쥐를 1년 이상 장기 관찰한 끝에, 건강에 해로운 부작용은 전혀 발견되지 않았으며, 유전자 회로를 탑재한 EcN 역시 체내에서 안정적으로 작동한다는 점을 확인했다. 이 연구는 유익균을 이용해 체내 병든 조직 환경에 선택적으로 도달하고, 그 안에서 미생물 바이오센서 기능을 수행할 수 있음을 보여주는 중요한 성과였다. 그로부터 10년이 흐른 지금, 이 연구는 여러 갈래의 후속 성과로 이어지며 더욱 발전하고 있다. 무엇보다 주목할 점은, 사람을 대상으로 한 실제 적용 가능성이 점차 현실화되고 있다는 사실이다.

2024년, 미국과 호주의 공동 연구진은 EcN을 이용해 대장암을 조기에 발견하고 치료할 수 있는 새로운 기술을 개발했다. 연구진은 먼저 암 발생을 유도한 실험쥐와 암 조직을 이식한 쥐를 대상으로 실험을 진행했다. EcN이 실제로 암 부위에만 선택적으로 머무르는지를 확인하기 위해, 세균에 약한 빛을 내는 유전자 회로를 삽입해 몸 속 위치를 추적했다. 그 결과, EcN은 건강한 장에는 머무르지 않고, 암 조직에만 선택적으로 도달하는 경향을 보였다.

이러한 동물 실험 결과를 바탕으로, 연구진은 실제 환자를 대상으로 소규모 임상시험도 진행했다. 연구진은 대장암 환자들에게 2주 동안 EcN을 복용하게 한 뒤, 수술을 통해 암 부위와 정상 부위를 함께 떼어내 비교 분석했다. 그 결과, EcN은 대부분 암 조직에만 존재했고, 정상 조직에서는 거의 검출되지 않았다. 이는 곧, EcN이 인간의 체내에서도 암 부위를 인식하고 선택적으로 도달한다는 것을 보여준다.

연구진은 여기서 한 걸음 더 나아가, EcN이 단순히 암을 찾아내는 데 그치지 않고, 치료에도 활용될 수 있도록 기능을 추가했다. EcN이 암 조직에 도착하면 자가 파괴되며, 면역세포의 작용을 돕는 물질을 방출해 암세포를 공격하도록 유도하는 유전자 회로를 탑재한 것이다. 이렇게 설계된 EcN을 다시 실험쥐에게 투여한 결과, 암의 크기가 절반 가까이 줄어들었고, 면역세포들이 암 부위에 보다 밀집해 모여드는 현상이 관찰되었다. 즉, EcN이 단순한 바이오센서를 넘어 실제 암의 치료 도구로도 활용될 수 있음을 보여준 셈이다.

물론 이러한 기술이 실제로 사람에게 적용되기까지는 여전히 넘어야 할 과제들이 있다. 특히, 인체에 해를 끼칠 수 있는 유전자를 사전 제거하고, 유전체의 안정성을 확보하는 과정이 필수적이다. 또한, 생물안전성 확보와 관련된 법적·제도적 기준을 충족하는 절차도 함께 이루어져야 한다. 그럼에도 불구하고, 유익균 기반의 암 진단 및 치료 기술은 실용화에 성큼 다가서고 있으며, 전 세계 연구기관과 병원에서는 이 기술을 임상에 적용하기 위한 노력을 본격화하고 있다.

세균과 반도체의 만남, 생명 기술의 지평을 넓히다

바야흐로 미생물은 미래 바이오기술을 선도하는 주역으로 자리매김하고 있다. 미생물이 지닌 섬세한 반응성과 놀라운 적응 능력을 첨단 기술과 결합함으로써, 인간의 삶과 환경을 더욱 정밀하게 감시하고 대응할 수 있는 시대가 열리고 있다.

특히, 미생물 바이오센서 기술이 반도체 기술과 손을 맞잡을 때, 그 시너지는 더욱 강력해질 것이다. 미생물이 자연 환경이나 인체 내부에서 미세한 변화를 감지하면, 반도체는 그 신호를 정밀하게 포착하고 분석해 실시간 대응을 가능하게 만든다. 생물학적 ‘감각’과 전자기적 ‘두뇌’가 하나로 이어지는 셈이다. 예컨대, 특정 오염물질이나 중금속, 방사성 물질, 독성 화학물질 등에 민감하게 반응하는 미생물을 활용하면, 기존 분석 장비로는 실시간 측정이 어려운 미세 오염까지 빠르고 지속적으로 모니터링할 수 있다.

의료 분야에서도 이 기술은 강력한 가능성을 보여준다. 미생물이 질병의 분자적 징후를 감지하고, 이를 전자 신호로 전환해 웨어러블 기기, 스마트 화장실, 휴대용 분석 장치 등과 연동한다면, 질병의 조기 진단과 맞춤형 치료는 훨씬 더 가까운 미래가 될 것이다. 나아가, 진단을 넘어 치료로까지 확장된 미생물 바이오센서는 병든 조직에 선택적으로 작동하는 ‘살아있는 약물’로서의 잠재력도 함께 갖추고 있다.

이처럼 생명과 반도체, 감각과 연산이 융합되는 거대한 변화의 흐름 속에서, 미생물은 더 이상 현미경 속 존재에 머무르지 않는다. 그들은 스스로 반응하고 판단하며 정보를 전달하는 ‘살아있는 센서’로 우리 삶의 다양한 문제를 해결해나갈 차세대 생물학적 플랫폼으로 거듭나고 있다.

비하인드 더 칩 시즌2, 비하인드더칩시즌2, Behind the CHIP, 비하인드더칩, 비하인드 더 칩, 김응빈, 김응빈 교수

※ 본 칼럼은 외부 필진의 견해로, 삼성전자 DS부문의 공식 입장과 다를 수 있습니다.

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2018년에 개봉한 영화 <업그레이드>는 인공지능 칩을 통해 초인적 능력을 얻게 된 한 남자의 복수를 그린 액션 스릴러 작품이다. 영화 속 주인공 ‘그레이’는 정체불명의 괴한들에게 습격을 당해 연인을 잃고, 자신은 하반신 마비라는 참혹한 상황에 처하게 된다. 혼자 식사를 하거나 화장실에 가는 것조차 불가능해진 그에게 어느 날, 거대 테크 기업의 기술 개발자인 ‘에론’이 찾아와 솔깃한 제안을 한다. 바로 인공지능 시스템으로 인간의 운동 기능을 관리할 수 있는 ‘스템(STEM)’이라는 칩을 이식받으라는 것. 에론은 이 칩을 통해 그레이가 다시 걸을 수 있을 것이라 말하며, 그의 인생을 바꿀 기회를 내민다.

그레이는 모든 것을 잃은 끝에 결국 에론의 제안을 받아들이고 수술대에 오른다. 연인을 죽이고 자신을 이렇게 만든 괴한들에 대한 복수심, 다시 걷고 싶다는 본능적인 욕망, 그리고 ‘기술이 인간을 도울 수 있다’는 마지막 희망이 그를 설득한 것이다. 그렇게 그의 뇌에는 인공지능 칩 스템이 이식되었고, 그는 다시 온몸을 자유롭게 움직일 수 있게 된다.

그런데 이 모든 이야기는 더 이상 공상과학 속의 상상이 아니다. 인간의 뇌와 컴퓨터를 직접 연결하는 ‘BCI(Brain-Computer Interface)’ 기술이 현실을 향해 빠르게 진화하고 있다. 특히, 이러한 BCI 기술의 기반에는 고성능 반도체 칩이 자리하고 있다. 뇌 신호를 정밀하게 측정하고, 이를 실시간으로 분석·처리하는 데 있어 반도체 기술은 필수적이다. 영화처럼 칩이 인간의 일상을 바꾸는 시대, 우리는 이미 그 출발선에 서 있다.

생각을 신호로, 신호를 행동으로

앞서 언급했듯, BCI, 즉 뇌-컴퓨터 인터페이스는 사람의 뇌와 컴퓨터를 직접 연결하는 기술이다. 그 원리를 간단히 설명하자면 이렇다.

우리가 어떤 생각을 하거나 움직임을 의도할 때, 두뇌에서는 고유의 뇌파가 발생한다. 이 뇌파는 전극이나 센서를 통해 측정할 수 있으며, BCI는 바로 이 신호를 감지하고 해석해 구체적인 명령으로 변환하는 기술이다.

예를 들어, 사용자가 ‘오른손을 움직이고 싶다’고 생각하면, 뇌는 그에 해당하는 신호를 발산한다. BCI 장치는 이러한 뇌 신호를 실시간으로 읽어 디지털 신호로 변환한 뒤, 이를 스마트폰, PC와 같은 외부 기기 또는 마우스, 키보드 등의 입력 장치에 전달한다. 결과적으로, 사용자는 로봇 팔을 움직이거나 생각만으로 스마트폰, PC를 조작할 수 있게 된다.

BCI 기술이 실제로 구현되기 위해서는 세 가지 핵심 과제가 있다. 첫째, 뇌에 안전하게 이식할 수 있을 만큼 장치를 작고 정교하게 만들어야 한다. 특히 침습형 BCI는 뇌에 전극이나 칩을 직접 삽입해야 하므로, 극도로 미세하고 유연한 설계가 요구된다. 실제로 뉴럴링크(Neuralink)와 같은 기업은 머리카락보다 가는 수백 가닥의 전극을 삽입할 수 있는 고정밀 수술 로봇을 개발 중이다. 이런 기술의 발전은 수술 부담은 최소화하고, 안정성을 높이는 데 기여하고 있다.

둘째, 뇌에서 발생하는 신호를 얼마나 정확하게 읽고 해석할 수 있는지가 관건이다. 뇌의 전기 신호는 매우 미세하고 복잡하다. 단순히 ‘움직이고 싶다’는 생각과 ‘멈추고 싶다’는 생각을 구분하는 것조차 고도의 정밀성과 뛰어난 노이즈 제거 기술이 필요하다. 최근에는 AI 기술의 발전 덕분에 뇌 신호 해석 기술이 매우 정교해지고 있다.

셋째, 해석한 명령을 외부 기계나 신체에 얼마나 정확하게 전달할 수 있는지가 중요하다. 아무리 신호를 잘 읽어도 외부 장치가 이를 제대로 수행하지 못하면 실질적인 의미가 없기 때문이다. 로봇 팔, 휠체어, 컴퓨터 커서 등 다양한 장치와 빠르고 안정적으로 연결하는 기술, 그리고 실시간 반응 속도와 오작동 방지 기술이 매우 중요하다.

뉴럴링크의 최신형 BCI 칩 ‘N1’

현재 BCI 기술을 구현하고 있는 대표적인 기업이 바로 일론 머스크의 뉴럴링크다. 2024년, 뉴럴링크는 자사의 뇌-컴퓨터 인터페이스 칩인 ‘N1’을 공개했다. 이 칩은 작고 정밀하며, 인간의 뇌와 기계를 직접 연결하는 침습형 BCI 기술의 최전선에 있다. 머리카락보다 얇은 64개의 전극 실(thread)이 뇌에 삽입되어, 1,000개 이상의 신경 신호 채널을 감지하고 분석할 수 있다.

칩의 크기는 직경 약 23mm로, 동전만 한 크기에 여러 기술이 집약돼 있다. N1 칩은 두피 아래에 삽입되기 때문에 외부로 드러나는 선이나 장치가 없으며, 데이터는 블루투스를 통해 최대 10m 거리 내의 기기와 무선으로 송수신된다.

삽입 과정은 뉴럴링크가 자체 개발한 수술 로봇을 통해 진행된다. 이 로봇은 수십 마이크로미터 굵기의 실 전극을 뇌의 정확한 위치에 자동으로 삽입할 수 있는 것으로 알려졌다.

뉴럴링크는 지난해 사지마비 남성에게 N1 칩을 이식한 사례를 공개했다. 그는 생각만으로 컴퓨터 커서를 움직이고, 이메일을 작성하며, 체스를 둘 수 있게 되었다. 그는 이를 기적이라고 표현하며, “마치 스타워즈의 포스(Force)를 사용하는 것 같다”고 언급하기도 했다.

이 사례는 단순한 기술 시연을 넘어 인간이 뇌를 통해 컴퓨터와 직접 연결되어 실질적인 기능을 수행한 순간으로 평가된다. BCI 기술은 더 이상 공상과학의 영역이 아닌, 신체적 한계를 뛰어넘는 현실적인 도구로 발전하고 있다.

생각만으로 움직인 기계 팔: 브레인 게이트(BrainGate)의 도전

또 다른 BCI 기술 플랫폼을 살펴보자. 2012년, 미국 피츠버그대학 의료센터(UPMC) 연구진은 세상을 놀라게 할 임상 실험 결과를 발표했다.

주인공은 척수소뇌변성증을 앓고 있는 여성이었다. 연구진은 그의 대뇌 운동피질에 ‘유타 어레이(Utah Array)’라는 전극 두 개를 이식했다. 이 전극은 뇌에서 발생하는 미세한 전기 신호를 실시간으로 감지해 기계 팔로 전송함으로써 움직임을 구현했다. 그리고 놀라운 일이 벌어졌다. 손끝 하나 움직이지 못했던 그는 생각만으로 컵을 집고, 물건을 옮기고, 심지어 초콜릿을 들어 입에 넣었다. 그는 당시 인터뷰에서 이렇게 말했다.

“10년 만에 제가 직접 먹은 초콜릿이에요”

브레인게이트(BrainGate)의 연구는 뉴럴링크의 사례와는 또 다른 의미를 지닌다. 뉴럴링크가 키보드나 마우스처럼 ‘화면 안의 세계’를 제어하는 데 초점을 맞췄다면, 브레인게이트는 기계 팔이라는 물리적 장치를 제어했다는 점에서 뚜렷한 차이가 있다. 화면상의 입력을 넘어서 현실 공간에서 물체를 움직인 것이다.

이 연구는 신체를 자유롭게 움직일 수 없는 사람들에게 커다란 희망이 되었다. 머지않아, 우리는 BCI 기술을 통해 생각만으로 기계 팔과 기계 다리를 제어하며 자유롭게 움직이는 세상을 맞이할지도 모른다.

생각과 움직임을 연결하는 ‘디지털 브리지(Digital Bridge)’

영화 <업그레이드>처럼, 실제로 BCI를 통해 다시 걷게 된 남성의 사례도 있다. 자전거 사고로 하반신이 마비된 그는 2021년, 스위스 로잔공과대학 연구팀으로부터 ‘뇌·척수 인터페이스(BSI)’ 센서를 이식받았다. 뇌와 척수 사이의 신경물질 전달 시스템을 무선 연결하는 새로운 ‘디지털 브리지(Digital Bridge)’를 만들어준 것이다.

이렇게 뇌와 척수를 실시간으로 무선 연결해 ‘생각이 곧 움직임’이 되는 시스템이 완성됐다. 그 결과, 그는 스스로 서고, 걷고, 계단을 오르는데 성공했으며, 지속적인 훈련을 통해 BCI 장치를 꺼둔 상태에서도 일부 걷기가 가능해졌다.

연구진은 이를 통해 ‘디지털 브리지’가 단순 보조 기술이 아니라, 신경 회복을 유도하는 치료 기술로도 작용할 수 있다고 설명했다. 뇌에서 척수로, 척수에서 다리로 이어지는 기존 신경 경로가 끊어졌지만, 디지털 신호로 우회 연결해 반복 사용하면서 뇌와 척수 사이에 새로운 신경 회로가 형성되기 시작한 것이다.

BCI가 바꿀 또다른 미래

오늘날의 BCI 기술은 아직 제한적이고 실험적인 의료 목적에 주로 사용되고 있다. 하지만 머지않은 미래, BCI 기술은 더욱 정밀해지고 소형화되며, 사람과 기계의 연결 속도 또한 지금보다 눈에 띄게 향상될 것으로 보인다. 단순히 의지를 전달하는 수준을 넘어, 기계와 인간 사이에 즉각적이고, 양방향적인 정보 교류가 가능한 시대가 우리 앞에 다가올 것이다.

생각만으로 스마트폰을 조작하고, 검색하고, 문서를 쓰는 시대. 외부 기기에 의존하지 않고, ‘의식’만으로 컴퓨터와 연결되는 인간. 그때가 되면, 인간의 사고 속도는 지금보다 훨씬 빨라지고, 뇌와 기술이 하나로 융합되는 새로운 진화의 길이 열리게 될 것이다.

영화 <업그레이드>의 주인공 그레이처럼, 인간은 기술을 통해 다시 한번 자신의 한계를 확장해 나가게 될 것이다. 그리고 그 선택의 순간은, 머지않아 우리 모두에게 다가올지 모른다.

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※ 본 칼럼은 외부 필진의 견해로, 삼성전자 DS부문의 공식 입장과 다를 수 있습니다.

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Behind the CHIP  – Season 2

삼성전자 반도체 뉴스룸의 인기 시리즈 ‘Behind the CHIP’이 두 번째 시리즈로 돌아왔다. 총 10회에 걸쳐 공개되는 ‘Behind the CHIP’ 시즌 2에서는 5명의 IT/테크/지식 전문가들이 칼럼을 통해 반도체 생태계와 기술 트렌드를 깊이 있게 분석한다.

특히 이번 시즌에서는 생물학, 화학, AI, 영화 등 더욱 다채로운 분야의 전문가들이 IT 산업 전반의 변화와 함께 첨단 기술이 우리 삶에 미칠 영향을 다각도로 조명할 예정이다. 5명의 전문가들이 남다른 통찰력으로 소개하는 흥미로운 기술 이야기를 지금 바로 만나보자.

2014년에 개봉한 SF 영화 ‘엣지 오브 투모로우’는 인류와 외계 종족 ‘미믹’ 간의 최후의 전쟁을 그린 작품이다. 톰 크루즈가 연기한 주인공, ‘윌리엄 케이지’는 전투 도중 사망할 때마다 전쟁이 시작되기 직전으로 되돌아가는 특수한 능력을 갖고 있다. 그는 외계 종족과의 전쟁에서 승리하기 위해 ‘죽음, 환생, 전쟁… 또다시 죽음’이라는 잔혹한 무한 루프를 반복하며, 전쟁에서 이기기 위한 노하우를 습득하게 된다. 마치 단 하나의 목숨으로 스테이지를 클리어해야 하는 비디오 게임처럼 말이다.

‘엣지 오브 투모로우’는 ‘외계 종족과의 전쟁’과 ‘타임루프’라는 흥미로운 설정을 통해 대중성과 작품성을 동시에 인정받으며, SF 장르의 매력을 다시금 부각시킨 작품으로 평가받는다. 이 영화에는 SF 마니아들의 상상력을 자극하는 첨단 기술이 등장하는데, 바로 병사의 전투 능력과 신체 능력을 극대화하는 장비,‘엑소슈트(Exosuit)’다.

이번 기사에서는 단순히 상상력에 그치는 것이 아닌 현실 속 기술로 발전하고 있는 엑소슈트에 대해 집중적으로 살펴보고자 한다.

신체 기능 강화 부스터! 엑소수트는 무엇일까?

위 영상에서도 엿볼 수 있는 엑소수트는 ‘엑소스켈레톤(Exoskeleton)’ 또는 ‘웨어러블 로봇(Wearable Robot)’으로도 불린다. 쉽게 탈부착이 가능한 이 장치는 사람의 몸에 착용하는 외골격형 보조장치로, 인간의 신체 기능을 보완하거나 증강하는 역할을 한다. 착용자의 움직임에 동력을 더해 근력을 보조하거나, 특정 부위의 부담을 줄여주는가 하면, 마비된 신체 부위를 대신 움직이도록 설계되기도 한다.

영화 ‘엣지 오브 투모로우’에서는 병사들의 전투 역량 강화를 목적으로 엑소슈트를 대량 생산하고 보급하는 설정이 등장한다. 윌리엄 케이지를 비롯한 병사들은 엑소슈트를 착용한 채 외계 종족과의 전쟁에 투입되는데, 그 성능은 가히 상상을 뛰어넘는다. 달리기, 점프, 대시는 물론, 자동차를 종이 박스 밀듯 가볍게 밀어낼 수 있을 정도로 신체 능력을 극대화해준다. 훈련된 병사라면 주먹과 검술을 활용한 외계 종족과의 근접 전투도 가능하다.

뿐만 아니라, 이 장비는 무거운 무기와 장비를 운반할 수 있도록 설계되어 있다. 소형 화기부터 대형 기관총, 로켓과 유탄 발사기까지 장착 가능한 무기 시스템이 내장되어 있어, 개개인 맞춤형 화력 강화도 가능하다.

이 영화를 본 SF 마니아라면 한 번쯤은 이런 생각을 해봤을 것이다. ‘나도 저 수트, 꼭 한 벌 갖고 싶다!’라는 생각 말이다. 물론 현실에서는 톰 크루즈처럼 죽었다가 다시 살아날 수 있는 능력도 없고, 외계 종족과 싸울 일도 없다. 하지만 매일 같은 시간, 같은 장소로 출근하는 우리의 일상을 되돌아보면, 어쩌면 우리도 나름의 ‘무한 루프’를 살아가고 있는지도 모른다. 그렇다면 이왕 반복되는 인생, 엑소슈트 하나쯤 장착하고 아침 출근길을 정복해 보는 건 어떨까?

그 첫걸음은 우선 슈트를 알아보는 일이다. 지금부터 엑소슈트(a.k.a. 웨어러블 로봇) 기술의 현재와 미래를 함께 살펴보자.

※ 단, 실제로 엑소슈트를 착용하고 출근하면 지하철 개찰구를 통과할 수 없으니, 착용은 마음속으로만!

영화 속 엑소슈트의 현실 가능성

사실 웨어러블 로봇은 이미 출시되었고, 현재도 더욱 정교하고 고도화된 형태로 진화하고 있다. ‘엣지 오브 투모로우’에 등장한 엑소슈트 디자인 또한 실제 군사용 웨어러블 로봇 기술과 연구를 바탕으로 제작된 것으로 알려져 있다.

현재 웨어러블 로봇은 사용 목적에 따라 군사용, 산업용, 의료용으로 크게 구분되며, 각자의 기술적 요구와 사용 환경에 맞게 개발이 진행되고 있다. 지금부터 활발한 연구가 진행되고 있는 분야별 대표 사례를 중심으로 웨어러블 로봇 기술의 현주소와 가능성을 알아보자.

군사용: “아이언맨은 못 돼도 군장 무게는 줄이자”

영화 속 엑소슈트가 가장 닮고 싶은 현실 기술은 단연 군사용 웨어러블 로봇 장비다.

대표적인 군사용 웨어러블 로봇 기술로는 미 항공 우주·방산 기업 록히드마틴(Lockheed Martin)이 개발한 ‘오닉스 엑소스켈레톤(ONYX Exoskeleton)’을 들 수 있다. 이 장비는 전동식 하체 외골격 장치로, 사용자의 근력과 지구력을 향상시켜 부상과 피로를 줄이고, 군인들이 고강도 임무를 수행할 수 있도록 돕는다. 미시간 대학교의 연구에 따르면, 사용자가 약 18kg(40파운드)의 배낭을 착용하고 경사면을 오를 때 더 적은 에너지를 소모한 것으로 나타났다.

또 다른 예로는 DARPA(미국 국방고등연구계획국)에서 개발 중인 ‘워리어 웹(Warrior Web)’ 프로젝트가 있다. 해당 프로젝트는 군인들의 무릎, 허리 등의 관절 부담을 줄이기 위한 경량형 언더슈트 개발을 목표로 하며, 부상의 위험을 최소화하고 기동성을 향상하는 데 초점을 맞추고 있다.  

비록 현재의 군사용 엑소슈트 기술은 영화처럼 멋지고 화려하지는 않지만, 언젠가는 미래 전장의 모습을 바꿔놓을지도 모른다. 무엇보다 중요한 건 시작이 반이라는 사실이다.

산업용: “웨어러블 로봇으로 효율도, 안전도 UP!”

산업 현장에는 물류 작업, 조립 라인, 차량 및 항공 정비 등 사람의 힘만으로는 감당하기 어려운 고강도 작업이 많다. 만약 이러한 환경에서 작업자의 신체에 가해지는 부담은 줄이면서 업무의 효율성을 높일 수 있다면 어떨까? 기업들은 직원들의 안전과 생산성 향상을 위해 앞다퉈 웨어러블 로봇을 도입하려고 할 것이다. 웨어러블 로봇 기술은 말 그대로 ‘폭발적인 경제적 잠재력’을 가진 시장인 것이다.

이러한 가능성을 눈치챈 전 세계 스타트업들은 지금 이 순간에도 산업용 웨어러블 슈트 개발에 박차를 가하고 있다.

독일의 웨어러블 로봇 기업, 저먼 바이오닉(German Bionic)은 산업용 웨어러블 슈트 시장에 뛰어든 기업 중 하나다. 이들이 제작한 엑소슈트 ‘아포지(Apogee)’는 최대 36kg의 하중을 보조할 수 있고, 사용자의 허리와 무릎에 가해지는 부담을 줄여준다. 또한, 아포지(Apogee)는 사용자의 움직임을 실시간으로 분석해 부상 위험이 높은 동작이나 비효율적인 작업 방식을 파악한다.

한편, 현대자동차·기아는 보다 미니멀하고 가벼운 접근을 시도했다. 이들이 개발한 ‘엑스블 숄더(X‑ble Shoulder)’는 무전원 기반의 초경량 어깨용 보조 장비로, 탄소 복합 소재를 사용해 내구성과 경량화를 동시에 만족시켰다. 특히 산업 현장에서 팔을 위로 올려 작업하는 ‘윗보기 작업’시 어깨 부담을 줄여주는 데 효과적이라는 평가를 받고 있다. 실제 현장 테스트 결과에 따르면, 엑스블 숄더를 착용 시 어깨 관절에 가해지는 부하가 최대 60%까지 감소하는 것으로 나타났다.

참고로 글로벌 엑소슈트 시장 규모는 2025년 43.4억 달러에서 2032년 129.5억 달러까지 성장할 것으로 전망된다. 이는 외계 종족과 싸울 일은 없더라도, 허리를 지키는 데는 진심인 지구인들이 많다는 이야기다.

의료용: “기술력으로 증명한 한국형 엑소슈트”

2024년, 스위스에서 ‘사이배슬론(Cybathlon)’ 국제대회가 개최되었다. 이 대회는 로봇 기술을 통해 장애를 극복하자는 취지로 시작된 국제 경기로, 일명 ‘사이보그 올림픽’이라고도 불린다. 이번 대회에서는 한국과학기술원(KAIST)이 개발한 ‘워크온슈트F1(WalkON Suit F1)’이 웨어러블 로봇 부문에서 최종 우승을 차지했다.

대회에 출전한 KAIST 연구팀은 제한 시간 내에 다양한 난이도의 미션을 수행했다. 좁은 기차 좌석 미션부터 짐 옮기기, 자유 보행, 문 통과하기, 주방에서 음식 다루기까지. 모든 미션을 로봇의 힘을 빌려 단 6분 41초 만에 완수했다. 정말 경이로운 순간이 아닐 수 없다.

이러한 성과는 12개의 전동 관절, 인공지능 신경망 구현을 위한 AI 보드, 그리고 초당 1,000회의 로봇 균형을 측정하는 지면 반력 센서 기술이 결합된 결과이다. 특히 이번 대회에서는 사용자가 로봇을 스스로 호출하여 휠체어에서 도킹할 수 있는 기능까지 구현했다.

이쯤 되면 웨어러블 로봇은 더 이상 공상과학이 아니라, 곧 실현될 미래 기술 분야 중 하나라고 해도 과언이 아니다.

웨어러블 로봇이 일상에 들어올 그날까지

물론, 우리가 매일 아침 지하철을 뚫고 출근할 때 입을 ‘톰 크루즈용 엑소슈트’는 아직 없다. 하지만 산업 현장에서 일하는 이들에겐 벌써 현실이 되었고, 군사 분야에서는 실용화에 다가서고 있으며, 의료 분야에서는 기적의 기술이 되어가고 있다.

웨어러블 로봇 시장은 향후 지속적인 성장이 전망되며, 그 중심에 한국의 기술력이 있다는 점은 매우 고무적인 사실이다. 현재는 일상 속에서 경험하기 어려운 기술이지만, 머지않은 미래에는 출근길 필수템이 될지도 모른다. 언젠가는 ‘웨어러블 로봇 룩’이 대중화되어 패션 잡지 화보에 등장할 날이 올지도 모를 일이다.

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※ 본 칼럼은 외부 필진의 견해로, 삼성전자 DS부문의 공식 입장과 다를 수 있습니다.

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