가상현실 완전 몰입 가능할까?

skdna 2019. 1. 15. 18:47

완전 몰입형 가상현실 가능한가?. 많은 사람들은 자신만의 쌍안경을 통해 다양한 정보를 접하면서 미래를 상상하고 접한다. 하지만 세상엔 너무나도 다양한 기술들이 존재하고 거기서 정확한 미래의 모습을 포착하기란 하늘의 별 따기만큼 힘든 일이라고 할 수 있다. 이 글에서 여러분이 정확한 미래에 초점을 맞출 수 있도록 인류의 미래에 가장 중요한 핵심 기술을 소개할 것이다.

미래의 의료 기술은 어떤 모습일까..? 미래의 스마트폰은 어떤 형태일까..? 많은 사람들이 하는 고민 중 하나이다. 여러분이 하는 고민의 해답이 바로..“오픈워터”라는 회사의 대표가 얼마 전에 TED에 나와서 한 강연에 존재한다. 이 글은 매우 긴 글이 될 것이며 조금 지루하겠지만 끝까지 읽는다면 당신의 인생의 중요한 전환점이 될 것이다.

그녀의 TED 강연은 매우 중요한 개념을 설명하면서부터 시작된다. “사람들은 적색광과 근적외선이 우리 손을 통과할 수 있다는 것을 잘 알지 못한다. 위의 사진처럼” “이는 더 낫고, 빠르고, 저렴한 건강관리를 가능케합니다.” 도대체 이게 미래의 의료 기술과 무슨 관계가 있고, 미래의 스마트폰과 무슨 연관이 있는 것일까..?

그녀의 말에서 핵심은 바로 우리 몸이 반투명하다는 것과 빛은 퍼지면서 산란한다는 것이다.

사람의 살과 비슷한 물체 안에 혹을 하나 심어놓고 그것을 적외선 광원 위에 올려놨다. 그리고 우리는 위의 사진처럼 반투명한 물체 안의 혹을 관찰할 수 있다. 이것이 의미하는 것은 적외선을 이용해서 사람 피부 안의 종양을 관찰할 수 있다는 것이다.

하지만 여기서 문제가 하나 존재한다. 살과 비슷한 물체를 하나 더 올려놓으니 혹이 더 이상 보이지 않게 된 것이다. 빛이 산란되기 때문이다.

즉.. 부피가 작은 물체뿐만 아니라 인간의 몸처럼 부피가 큰 물체에서도 적외선을 이용하여 종양을 보려면 빛이 산란되지 않도록 무언가 조치를 취해야 한다.

그리고 그녀는 그 해답을 과거 대학 시절 공부했던 홀로그램 기술에서 찾게 된다. “홀로그램은 모든 빛을 포착하죠. 모든 광선, 모든 광자를 모든 위치와 각도에서, 동시에요.”

그녀는 빛이 물체를 만나 산란 되는 모습을 이 구슬 실험으로 비유하여 보여준다“ 이 산란의 미로 안에서 구슬들이 바닥에 도달할 때면 혼돈 상태로 산란되어 사방으로 튕겨져나갑니다.”“화면 안 바닥에서 홀로그램을 찍어보면 미로를 빠져나가는 구슬 개개의 위치와각도를 기록할 수 있습니다, 그러면 다시 아래로부터 구슬들을 되돌릴 수 있죠.”

홀로그램이란 3차원으로 만들어진 입체적 시각 정보를 뜻하는데..저 컵과 같이 빛의 산란을 3차원 입체적 시각 정보인 “홀로그램”으로 캡쳐하면 빛이 산란될 때의 위치와 각도를 전부 알아낼 수 있다. 즉.. 빛이 어느 위치에서 어느 각도로 어떻게 산란 됐는지를 알아낼 수 있다.

그리고 우리는 이 홀로그램을 해석하여 빛의 산란을 “역산”한 후 “홀로그래피”란 기술을 이용하여 산란을 중화시키고 마치 빛이 직진하듯이 만들 수 있다.

※ 홀로그래피(holography)란..?두 개의 레이저광이 서로 만나 빛의 간섭 현상을 이용하여입체 정보를 기록하고 재생하는 기술을 말한다. 또한 홀로그램은 그 기술로 촬영된 것을 가리킨다.

원래라면 물체에 광원을 비추면 이런 식으로 산란이 되어버린다.

근데 광원 앞에 빨간 네모의 얇은 홀로그램 판넬을 끼우면 마법과 같은 일이 일어난다

원래라면 물체를 만난 빛은 산란되어 초점이 생기지 않는데...위의 사진의 빨간 네모를 보자.. 한 번 산란된 빛이 물체를 넘어서 벽면에 다시 작은 점과 같은 초점을 맺었다.

원래라면 이런 식으로 산란됐어야 할 빛이

광원 앞에 홀로그램 판넬을 끼워 넣어 빛을 재조정하여 물체를 뛰어넘어 초점을 맺게 한 것이다. 이게 의미하는 건 무엇인가..? 우리는 3차원 입체적 시각 정보인 “홀로그램”을 해석하여 빛이 어느 위치에서 어느 각도로 어떻게 산란 됐는지를 알아낼 수 있다.

그리고 산란된 빛을 “역산”해서 홀로그래피 LCD를 이용해 빛을 다시 재조정하여 빛을 어떤 식으로 재조정해서 쏘면 산란을 중화시키고 우리가 원하는 곳에 빛을 집중시킬 수 있는지 알 수 있기 때문에 3차원 공간에 우리가 원하는 좌표에 빛을 초점을 맺게 할 수 있다. 즉.. 우리는 빛의 산란을 통제할 수 있게 된 것이다.

위 내용을 보면 알겠지만 적외선은 사람의 살과 같은 물체는 통과할 수 있다. 그럼 뼈는 어떨까..?

적외선은 살 뿐만 아니라 뼈 또한 통과할 수 있다. 감마선과 엑스선도 같은 성질을 가졌지만 그것들은 암을 유발한다. 하지만 적외선은 인체친화적이다, 즉 무해하다는 소리다. 그리고 그녀는 신체의 다른 부위뿐만 아니라 우리의 뇌에도 이 기술이 통한다는 것을 강연 중 우리의 뇌와 똑같은 환경을 조성한 뒤 위에서 설명한 기술을 적용했다.

그리고 자신의 기술이 이론적으로만 가능한 게 아닌 실제 현실에서도 구현 가능한 기술이란 것을 기술 데모를 통해 증명해냈다. 즉.. 이 장치는 뇌에도 적용할 수 있다. 이것이 의미하는 것은 무엇인가..?

뇌에 존재하는 신경세포인 뉴런의 크기는 10~25미크론 정도다. 그리고 그녀의 기술은 사람의 뇌와 똑같은 환경에서 2미크론 해상도의 초점을 가진다.

즉.. 단일 뉴런 해상도로 적외선을 집중시킬 수 있다는 소리다. 이게 왜 중요한가..?

적외선으로 “산소포화도”를 측정할 수 있기 때문이다. (사진 왼쪽 하단에 그녀가 인용한 논문 제목 있다) 신경세포도 활동하려면 쉬고 있을 때보다 더 많은 산소를 소모하기 때문에 활동 세포와 휴식 세포 간의 산소 포화도의 차이가 존재하게 되고 이 산소 포화도를 측정함으로써 뉴런 활동을 간접적으로 기록할 수 있다. 가끔 산소 포화도랑 실제 신경 활동은 다른 거고 치환해서 쓸 수 없다고 하는 학자들이 있는데.. 그걸 논파하는 게 이 논문 성과다.

이 논문의 연구자들은 영화를 보는 사람의 뇌를 fMRI로 뇌 신경의 산소포화도를 녹화하고 그 뇌 활동 기록을 이용해서그 사람이 어떤 영화를 봤는지 재구성에 성공했다.

즉.. 산소 포화도는 실제 신경의 전기적 활동을 대신해서 신경 디코딩에 이용할 수 있다!! 재구성한 영화 이미지가 실제 영화와 다르게 뿌옇고 이상한 이유는.. fMRI 장치의 공간 해상도가 mm 수준이고 시간 해상도 또한 신경 활동 전부를 녹화할 만큼 빠르지 않기 때문이다.

하지만 그녀의 기술은 단일 뉴런 해상도로 1초에 뉴런 100만 개를 스캔할 수 있다. 기존 fMRI 해상도보다 천 배나 좋으며 시간 해상도 역시 비교도 안 될 정도로 좋다. 즉.. 그녀의 기술은 저 논문보다 최소 천 배 더 선명하게 뇌 활동을 재구성할 수 있다.

이것이 의미하는 건… 미래엔 더 이상 기존의 정확도가 낮은 거짓말 탐지기를 쓸 필요가 없다는 것이다. 더 이상 범죄자들에게 거짓말이란 존재할 수 없게 되는 것이다. 이 기술로 신경 활동을 녹화하고 그 활동을 재구성함으로써 범죄자의 말이 사실인지 아닌지… 더 나아가 아예 기억을 재구성해서범죄 장면을 직접적으로 볼 수 있을 것이다.

그녀의 기술이 혁명적인 이유를 알려면 다른 기술들을 살펴봐야 한다.

Brain-Computer Interface (BCI)란 뇌와 컴퓨터의 소통을 가능하게 해주는 장치를 말한다. 기존의 BCI는 두개골을 절개하고 신경 활동 녹화를 위해 뇌 피질에 직접 박아야 했다. 하지만 이러한 수술은 매우 위험하고 감염의 위험까지 존재했다. 또한 뇌 피질 겉면에서 아래쪽 뉴런까지 자극하려고 평소 뇌에서 운용되는 전압보다 더 세게 전기 자극을 줬는데 시간이 지나면서 피질에 전기 자극 내성이 생기면서 BCI 효과가 서서히 떨어지게 된다.

현재 BCI 연구는 거의 다 침습적인 방법을 이용한다 하지만 그녀는 적외선을 이용한 비침습적인 방법으로 BCI를 구현할 수 있다. 이 분야에서 거의 유일하게 비침습적인 방법을 연구하는 사람이다. 침습적인 방법과는 다르게 비침습적인 방법은 “대중화”가 가능하다. 즉.. 그녀의 기술은 환자뿐만이 아니라 “일반인”인 우리도 혜택을 받을 수 있다.

이건 그녀가 작년 내내 연구하던 장치의 모습이다.

그녀는 집적회로와 손톱만 한 디스플레이칩으로 기존 장치를 매우 작게 만드는데 성공했다.

그녀는 기존 장치를 매우 작은 칩으로 축소해냈고

그 칩은 저 빨간 붕대나 모자 같은 것들에 내장될 수 있게 되었다. 아마 최근 가상현실 기술에 관심을 많이 가진 사람이라면 위의 사진을 보고 떠오르는 장치가 있을 것이다.

이건 “소드 아트 온라인”이라는 애니메이션에 나오는 “너브 기어”란 장치다. 가상현실 게임을 할 수 있는 디바이스인데..그녀의 기술은 너브 기어가 될 가능성이 있다.

그녀의 기술은 단일 뉴런 해상도로 신경 활동을 녹화할 수 있으며 또한 단일 뉴런 해상도로 집중된 적외선은 아주 짧은 시간에 뉴런의 온도를 올려 뉴런을 발화시킬 수 있다.. 즉..

신경 녹화&자극이 가능한 만능 디바이스란 소리다. 그녀는 이러한 미래를 가능케할 기술의 원리를 강연 후반에 좀 더 자세하게 설명했다.

그녀는 자세한 기술 설명을 끝낸 뒤 자신의 기술이 가능한 것 3가지를 설명한다.

첫 번째로 암의 조기 발견과 종양의 추적 관찰을 쉽게 할 수 있고 산소포화도를 통해 막힌 동맥을 찾아내어 뇌졸중을 예방할 수 있다.

두 번째로 현재 MRI 검사는 너무 비싸 많은 인류가 혜택을 받기 힘들다. 하지만 그녀의 기술은 흔한 가전기기 수준의 가격으로 판매될 것이며

기존의 방 하나를 다 차지할 만큼 큰 MRI 시스템을 대체할 수 있다. 또한 매우 작기 때문에 전쟁터 같은 곳에서 총에 맞은 병사들에게 실시간 MRI 검사를 가능케한다.

세 번째는 브레인-컴퓨터 인터페이스다. 그녀의 기술은 빛과 소리를 이용해, 뉴런을 활성화 또는 비활성화 시킬 수 있다.

그녀의 장치는 휴대 가능하며 비침습적으로 수술이 필요가 없다.

그리고 그녀는 강연을 마치며 적외선 레이저를 입에 넣으며 이렇게 말한다.

이러한 기술이 무서워 보이지만…

아마.. 그녀는 이 말을 하면서 여러 가지 생각이 들었을 것이다. 왜냐하면 그녀는 과거 대학시절 원인 모를 두통에 시달렸는데 MRI 기술의 혜택을 받아 뇌종양인 것을 알아냈고 수술 후 살아났다. 이러한 경험이 그녀가 현재의 기술을 개발하는 계기를 제공했을 것이다.

현재는 매우 낯설고 무섭게 느껴지지만

빠른 미래에 이 기술은 우리에게 친숙하게 다가올 것이다.

나는 그녀가 이 강연에서 언급하지 않은 이 기술의 잠재력을 설명하려 한다.

생각 통제하는 신경전달물질 ‘GABA’

https://www.sciencetimes.co.kr/?news=%EC%83%9D%EA%B0%81-%ED%86%B5%EC%A0%9C%ED%95%98%EB%8A%94-%EC%8B%A0%EA%B2%BD%EC%A0%84%EB%8B%AC%EB%AC%BC%EC%A7%88-gaba

PTSD, 조현병은 화학적 신경전달물질과 연관

문제는 이런 증상이 심해지면 치명적인 정신적 질환으로 발전한다는 점이다.

강박장애(OCD)나 외상후스트레스장애(PTSD)를 겪는 사람부터 우울증이나 정신분열증 모두는 이런 증상을 보인다.

원치 않는 생각을 억제할 수 있는 능력이 신경전달물질인 가바(GABA)에 의존하는 것을 발견했다.

가바는 신경 세포 사이의 메시지 전달을 가능하게 하는 뇌 내의 화학 물질이다.

Researchers alleviate Schizophrenia symptoms in new mouse models

https://www.sciencedaily.com/releases/2018/11/181130120442.htm

Together, the researchers studied a brain cell receptor -- ErbB4 -- whose level is altered in adults with schizophrenia.

ErbB4 helps maintain an inhibitory neurotransmitter in the brain -- GABA --

that prevents brain cells from overreacting and keeps fear and anxiety in check.

"When ErbB4 is mutated early on in mice, it impairs brain circuit wiring.

It also impairs GABA transmission in adult animals, causing schizophrenic symptoms," said Mei.

→ 유전적 혹은 후천적인 원인으로 인해 GABA 유지시켜주는 ErbB4 가 손상된다

한 마디로 밑 빠진 독이 돼버린다.

그로 인해 원치 않는 생각을 억제할 수 있는 능력을 관장하는 GABA 전달이 병신이 된다.

이로 인해 강박증이나 조현병 따위가 발생...

Alteration of GABAergic Neurotransmission by Pulsed Infrared Laser Stimulation

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3096872/

These data show that optical stimulation using transient infrared laser light can alter GABAergic neurotransmission

and demonstrate that it may be an alternative approach to electrical stimulation in studying GABAergic function.

→ 이 논문에선 적외선으로 자극 시 GABA 수치를 조작할 수 있다고 한다.

즉.. 원치 않는 생각을 억제할 수 있는 능력에 관여하는 GABA 수치를 조작 함으로서

조현병과 강박증을 치료할 수 있는 길이 생기는 것이다.

피해망상과 환각…조현병(정신분열증)의 원인은?

http://dongascience.donga.com/news.php?idx=12239

조현병의 발명 메커니즘. 과거에는 도파민 뉴런(빨간색)의 지나친 흥분이 원인이라고 생각했지만 본격적인

연구결과 글루타메이트(흥분성 신경전달물질) 뉴런(파란색)과 가바(GABA, 억제성 신경전달물질) 뉴런(회색)이

함께 개입하는 복잡한 네트워크의 장애라는 사실이 밝혀졌다.

그 결과 중격핵(nucleus accumbens)에서는 도파인이 넘쳐 환각 같은 증상이 나타나고

전전두피질(prefrontal cortex)에서는 도파민이 부족해져 불안과 사회관계 위축 같은 증상이 나타난다. - 네이처 제공

Near‐infrared laser photons induce gl****ate release from cerebrocortical nerve terminals

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/jbio.201800102

Infrared light proved able to induce gl****ate release by stimulating gl****atergic nerve endings.

→ 적외선은 가바 뿐만 아니라 글루타메이트 조작 또한 가능하다.

그녀의 기술에서 쓰이는 적외선은 가바랑 글루타메이트의 정교한 조작으로

사실상 모든 정신병을 전부 컨트롤할 수 있을 잠재력이 있다.

https://www.openwater.cc/technology

또한 그녀의 회사 홈페이지 기술란에는

“With read/write ability - we may be able to upload/download and augment our memories, thoughts,

and emotions with a ski-hat form factor, non-invasively.”

→ 자신들의 장치로 기억, 생각, 감정을 업/다운로드할 수 있을 거라 언급한다.

그녀의 회사에 투자한 사람 중 “니콜라스 네그로폰테”라고 유명한 사람이 있는데

이 사람은 20~30년 내에 지식을 다운로드할 수 있다고 예측한 사람이다.

또한 아주 유명한 물리학자 중 한 명인 “미치오 카쿠”는

뇌와 세상 직접 연결, ‘브레인 넷 시대’ 온다

http://www.hani.co.kr/arti/society/society_general/691664.html

그는 “다음 10년 동안 우리는 인터넷(Internet)에서 브레인넷(brain-net)으로의 점진적 전환을 보게 될 것이다.

브레인넷에서 우리는 자신의 생각과 감정, 느낌, 기억 등을 즉시 지구 전역에 전송할 수 있게 될 것이다”라고 말했다.

“나는 물리학자로서 어떤 새로운 테크놀로지(기술)건 그 뒤에 있는 본질을 보고자 한다. 그게 바로 물리학의 기본법칙이다.

DNA건, 컴퓨터건, 우주여행이건 간에 이런 기술의 핵심에 물리학 법칙이 항상 존재한다.

그래서 물리학자로서 어떤 기술이 불가능한지, 실현 가능한지 즉각 알 수 있다. 물리학을 이해하면 기술의 실현 가능성을 알 수 있다.”

오픈워터가 제시하는 목표는 물리학자가 봐도 불가능한 영역이 아니다!!

뇌는 이런 식으로 3차원적인 뉴런 발화 패턴을 통해 정보를 처리하는데 시각피질은 이러한 개별 뉴런의 발화 패턴을 통해 점이나 선을 인식하고 구체화한다. 기억 또한 이러한 패턴으로 저장한다. 조금 이해하기 힘든 개념 같아서 좀 더 쉬운 그림을 구해왔다

이건 초파리 커넥톰의 시뮬레이션인데..뉴런 발화 패턴으로 정보를 처리한다는 게 대충 저런 느낌이라고 보면 된다.

즉… 오픈워터 BCI로 관련 홀로그램을 생성해서 똑같은 패턴을 입력해주면 지식 다운로드나 완전 몰입형 가상현실 또한 가능하다는 소리다. 우리 뇌에는 시각 정보를 처리하는 시각피질이 존재하는데..만약 시각피질의 뉴런 발화 패턴의 빅데이터를 구축하고 이해하게 된다면…오픈워터 BCI는 스마트폰을 완전히 대체할 수 있다.

핸드폰 없이 이러한 헤드셋을 끼고 시각피질을 직접적으로 자극해

이런 식으로 스마트폰 화면의 시각 정보를 뇌에 다이렉트로 쏴줄 수 있게 된다. 미래엔 귀찮게 핸드폰을 들고 다닐 필요가 없는 것이다. 또한 스마트폰뿐만 아니라

(소드 아트 온라인 오디널 스케일 - 인공지능 아이돌 유나 콘서트를 본 오덕들)

2차원 세계에 존재하는 그녀들을 시각 정보를 조작해 현실에 불러올 수 있게 된다. 현재 머리에 거추장스러운 장치를 쓰는 HMD MR 장치들과는 다르게 진짜 혁명적인 MR(Mixed-Reality) - 혼합현실이 가능해진다. 또한 시각 정보를 조작하면 시력을 보정해서 안경 없이도 선명하게 볼 수 있게 된다.

그리고 오픈워터 BCI는 뇌 역공학 분야에도 엄청난 잠재력을 가지고 있다. 기존 fMRI는 하루 종일 누워서 있어야 했던 반면에 오픈워터 BCI는 모자 형태에 휴대 가능한 장치여서 24시간 쓰고 다니면서 뇌의 모든 뉴런의 발화 패턴을 녹화하고 빅데이터를 구축할 수 있게 된다.

그럼 인류는 해당 패턴이 실제로 어떠한 행동과 의미를 가지는지 이해할 수 있게 되고 마치 프로그래밍 언어처럼 뇌의 언어를 이해할 수 있는 사전을 가지게 된다.

모든 고차원적인 사고가 이루어지는 지능의 원천 인신피질은 마이크로컬럼의 반복적인 구조인데현재 이 마이크로컬럼은 천재들이 다 덤벼도 20년 가까이 역공학하지 못하고 있다. 만약 우리가 뇌의 언어를 이해할 수 있는 사전을 구축하게 된다면 실제 하드웨어와 사전을 참고하여 진짜 뇌의 작동 원리를 추론할 수 있게 될 것이다. 즉… 범용적인 인공지능인 AGI의 개발이 가능해질 수도 있다.

＃ 로드맵 최대 오차 +10년

현재 로드맵에서 오차 +10년 이후까지 달성 안 된다면 양자 뇌 이론이나 신경망 블랙박스 해석 실패 등 방대한 시간이 있어도 해결 불가능한 기술적 난제가 있다고 봐야 한다. 즉.. 인간의 지능 한계 때문에 특이점에 도달하지 못할 가능성이 높다. 그러니깐 로드맵 +10년까지 달성 안 되면 현재 20~30대는 특이점 못 보고 죽을 확률 높다.

기초적인 개발자 킷은 2019년 내로 나올 예정이며…