생명체의 설계도인 유전체의 완벽한 해독 후 신(神)의 영역인 인공생명체를 만들려는 도전이 이어지고 있다. 비교적 간단한 원핵생물인 대장균은 이미 사람 손으로 만드는데 성공하였고, 2020년까지는 인간과 같은 진핵생물인 효모가 인공으로 완성된다고 한다.
 

  유전체 정보는 아주 빠른 속도로 저렴하게 분석이 가능하여 수없이 많은 생물종의 유전체 정보를 확보하였고 정보를 근간으로 실물인  단백체(Proteome), 대사체(Metabolome), 연결체(Connectome)정보들이 축척되어 빅 데이터(Big Data)화 되고 있다. 특히, 의약 임상결과, 물질합성, 생화학 정보, 대사물질정보, 개체 간 상호작용 정보(Microbiome)가 축적이 되면서 생명현상을 더욱 명확하게 정리되어 통합된 초 Big Data시대로 진입하게 되었다.

 한편, 획기적으로 발전된 소프트웨어(Software)기술은 다양한 Big Data자료를 인공지능(Artificial Intelligence)기술로 재해석됨에 따라 인간두뇌보다는 빠르고, 더 정확한 의사 결정을 할 수 있어 4차 산업혁명의 근간기술로 대두되었다. 하지만, 인공지능은 제한된 인지(認知) 능력으로, 제한된 일을 아주 효율적으로 수행할 수는 있지만, 아직까지는 한꺼번에 동시 다발적인 수행은 한계가 있고 특히, 작업 환경조건이 수시로 바뀌는 상황에는 수행하는데 어려움이 있다.  

 만약 인간처럼 수많은 단백질을 만들고, 수를 셀 수 없는 다양한 인체 내의 대사를 조절하면서 외부환경을 오감으로 인지하면서 즉각적인 반응하기는 힘이 들것이다. 만약 인간과 같은 인공지능의 로봇을 만든다는 것은 현재 기술로는 불가능하고, 만들어진다고 하더라도 엄청난 크기의 하드웨어(Hardware)와 엄청난 에너지를 필요로 하여 실현시키기에 어려움이 크다.

 이런 문제를 해결할 수 있는 길은 사람이나 생물처럼 스스로 에너지를 만들고, 동시에 인지하고, 또 즉각적으로 반응하면서도, 수없이 많은 생리대사 물질을 저공해로 만들 수 있어야 한다. 이렇게 되려면, 4차 산업혁명 기술이 점차 효율성, 복잡성, 동시성, 즉각성, 친환경을 충족하는 인간이나 생물과 같은 생물화(生物化) 또는 생명화 되어야만 가능할 것이다. 생물화 되기 위해서는 인공지능기술이 초인지화(Super Cognition)와 초생명화(Hyper Vivification) 기술로 진화되어야 하고, 초기는 인공지능의 인간신경망을 모사(模寫)하듯이 생체 또는 자연을 정밀하게 모사하는데서 시작될 것이다. 생물화 방향으로 과학 및 산업응용 기술의 발전은 5차 산업혁명 시대로 진화하는 방아쇠가 될 것이고, 앞서 예를 든 인공 대장균, 인공 효모 기술이 생물화 기초연구의 좋은 예가 될 수 있다. 미국, 일본, 중국 등 국가에서는 이미 5차 산업혁명시대를 준비하고 있어서 본고에서는 5차 산업혁명으로 발전에 대한 필자의 개인적인 의견을 개진한다.     
 
   3차 산업혁명에서 4차 산업 혁명 시대로 사회발전  

  초(超) 연결과 초(超) 지능의 4차 산업혁명은 아주 빠른 전파로 지구인 전체의 경제, 사회구조를 현격하게 바꾸었을 뿐만 아니라 생활하는 철학적인 개념마저도 빠르게 변화시키고 있다. 4차 산업기술들은 다양한 기술간 융합을 촉발시켜서 부가가치가 큰 새로운 시장을 만들면서 아주 빠른 속도로 전체 시장을 4차 산업 제품으로 대체하였다.  

  대표적인 예로 스티브 잡스(Steve Jobs)의 애플사를 들고 있는데, 기술 간의 연결을 반듯이 직선적으로 연결하여 제품을 만드는 3차 산업혁명의 Square mind에서 직선이든 곡선이든 무엇이든 사용하여 원하는 제품을 만드는 Creative mind로 유연성을 가지게 되어 제품의 다양성을 획기적으로 넓힐 뿐만 아니라 아주 빠른 속도로 관련시장을 확장시켰다.  

  자세히 보면, 아주 창의적 아이디어의 도출하는 무(無)에서 유(有)를 만드는 것보다 존재하는 것을 다양한 연결방법으로 이전까지의 개념에서는 찾아보기 어려운 새로움을 창출하게 하였다.

  결국, 이미 알고 있는 기술의 새로운 연결로 편의성과 독창성을 만들기 때문에 별다른 어려움이 없이 빠른 속도로 새로운 시장개척이 가능하였다. 즉, 4차 산업혁명으로 발전하게 된 기폭제는 새롭게 창의적인 아이디어보다 알려진 기술이나 제품 간 다양한 연결로 새롭고 창의적인 시각을 가진 신기술이나 제품을 만들었기 때문에 새로운 연결을 만드는데 빨리 연결하는 속도(Speed)의 중요성과 어떻게 하면 많은 연결(초 연결)을 할 수 있는가가 강조되고 있다는 점은 주목할 필요가 있다.    

  4차 산업혁명 기술의 현재와 한계

  빠른 연산으로 Big Data를 짧은 시간에 분석하여 발견하지 못한 숨어있는 새로운 열쇠를 만들 수 있는 인공지능은 현재까지 풀지 못했던 난제를 척척 해결할 수 있어서 이미 인간의 능력을 뛰어 넘었고, 현재 과학기술 및 산업 분야 발전을 유도하는 신(新)알고리즘으로 무장한 인공지능이 등장하고 있다.  심지어 “과학이나 기술뿐만 아니라  인문, 예술 등 인간 활동의 모든 분야까지도 인간을 압도하여 일자리를 인공지능에게 모두 내어 주어야 하지 않을까?”라는 걱정을 하는 처지가 되었다. 또한, 인간 내 또는 인간 간은 물론 무수히 존재하는 생물들 간에 존재하는 무한히 복잡한 연관관계를 해석하여 지금까지 이해할 수 없었던 생명현상도 이해할 수 있게 되었다.  

  바이오기술도 생물 개체의 유전체(Genome)시대에서 어떤 환경에 존재하는 모든 유전체(Microbiome)를 분석하여 조절할 수 있는 시대로 진화하고 있다.  이미, 잘 개발된 사물인터넷(IOT)은 인간유전체, 단백체, 대사체 및 연관체와도 연결하여 생명현상을  더 깊게 이해하여 새로운 산업기술 시대로 발전할 것으로 전망한다. 하지만, 더 많은 기술 장벽을 뛰어 넘을 수 있어야 하고 개체의 연구보다는 초 연결된 시스템적 연구로 발전할 수 있다는 전제조건을 충족되어야 한다.

  얼마 전까지 국내 매스컴은 암의 진단에 획기적으로 알려진 IBM의 'Dr Watson program'을 소개하고 국내 몇 개 병원에서 도입하여 사용하였지만, 실제로는 Dr Watson의 주요 데이터인 유전체와 임상결과만으로는 복잡한 발병 원인과 각 개인마다 다른 개인 맞춤형 진단을 하기에는 여전히 많은 문제점이 제기됙 있다. 따라서 아직도 부족한 거대한 정보의 보완이 필요해서 현재 IBM에서 회수하여 사용하지 않고 있다.  

  결국 아직 찾지 못한 정보가 실존하는 현실공간인 물리학적 시스템(Real Physical System)뿐만 아니라 가상공간에서 일어나는 사이버 시스템(Virtual Cyber System)까지 무한한 연결의 가능성을 가져야 인공지능분야도 한 단계 진화하고 발전할 수 있게 될 것이다.

  하지만, 이론적으로는 무한한 연결이 가능하지만, 시간의 격차가 없이 아주 큰 데이터도 순식간에 연결되는 저지성의 한계를 극복(초 저지성)해야 하고, 또 많은 정보를 동시에 인지하고 동시에 무한한 연결(초 연결성)이 되어야 한다. 또 초 저지성과 초 연결성이 가능하다고 할지라도 인공지능 알파고와 우리나라 이세돌 및 중국의 커제와의 바둑 대결에서 동원됐던 어마어마한 컴퓨터와 전력에너지를 생각하면 과연 가능할 것인지 의문이다. 4차 산업혁명에서 제한적이고 집중된 한가지의 업무수행에도 이처럼 굉장한 장비와 에너지가 필요한데, 모든 분야에 4차 산업혁명화 된다면 하드웨어와 에너지문제는 어떻게 해결할지가 궁금하다.

  인간은 오감(五感 : 시각, 청각, 후각, 미각, 촉각)을 가지고 동시에 빠른 속도로 인지하고 뇌에서 판단하고 빠른 속도로 반응하지만 그다지 큰 장비와 에너지 없이 인간자체로 가능하다.  또 인간뿐만 아니라 모든 생명체는 진화를 통해서 큰 에너지나 장비가 없이도 가장 효율적으로 동시에 여러 가지의 신호를 인식하고 즉각적인 반응할 수 있었다. 만약 즉각적 동시 인지(초 저 지성) 및 동시 반응(초 연결 반응)을 할 수 없다면 4차 산업혁명에서 만들어진 무인자동차, 드론, 로봇, 가상현실 등 수많은 기술들은 오히려 조절할 수 없는 사고뭉치로 변하여 인류사회에 혼란성만 가중시키고 현실 생활에 실제로는 응용하기 어려울 것이다.

  선진국과 경합하고 있는 5G기술도 결국은 연결성과 저지성(低遲性)을 획기적으로 개량하여 현재의 LTE 보다는 처리속도는 20배 빠르고 처리 용량은 100배로 높아지고, 처리시간은 1/10로 단축되어 저지성과 연결성을 개선한 것이다. 지금의 기술로는 필요한 거대한 하드웨어 용량을 효율적으로 축소하고, Big Data들을 다중으로 연결할 때 생기는 속도와 이에 필요한 아주 큰 에너지 문제를 해결할 수 있어야 생물화가 가능하다.
 

  나아가서 확대되는 가상의 세계를 열고 가상-현실 시스템(Cyber-Physic System, CPS) 연결하기에는 지금 수준으로 생산되는 에너지의 효율성이나 생산성으로는 일부 제한된 활용은 가능할지 모르지만 본격적인 CPS를 구현하기에는 어려움이 클 것이다.

  이런 문제를 해결할 수 있는 최선의 방법은 인간과 같은 생명체가 사용하는 생체에너지 시스템을 활용하면 동시에 인지하고 다중으로 반응이 가능할 것으로 전망한다. 현재 생물체가 가진 기능을 실제 산업적 활용기술로는 생체모사(Biomimetics)와 자연모사(Nature-Inspired Technology. NIT)기술로 이미 많은 산업분야에서 활용하고 있다. 결국  현재의 4차 산업혁명 기술의 한계점을 뛰어 넘는 방법은 생체모사를 시작으로 초인지화와 초생명화를 실현하는 생물화 기술이 5차 산업혁명의 주체가 될 것으로 예상한다.

  생체모사(生體模寫)와 자연모사(自然模寫)

 생명체의 구조, 기능, 형태를 응용 모방한 생체모사기술 또는 자연의 원리를 응용한 자연모사기술은 친환경적이면서 적은 에너지를 사용하면서도 기능의 효율성이 높아서 기계, 건축, 의(醫)과학, 에너지, 환경, 디자인, 생활용품 등 많은 산업분야에서 이미 많이 사용하고 있다.    

  몇 가지를 예로 들면, 나방 눈(目)은 빛을 반사하지 않은데 그 구조를 활용한 무 반사 필름을 개발하였고, 개의 코, 도마뱀의 발바닥의 미세구조로 미끄러지지 않는 신발, 장갑제조에 사용하였고, 나뭇잎의 물 맺힘 현상을 통한 정화작용, 상어지느러미의 구조를 모방한 물 저항력을 최소한 전신수영복, 흔히 ‘찍찍이’라 불리는 벨크로는 식물 엉겅퀴 표면의 작은 갈고리 모양을 모방한 기술이다.  

  또 연잎을 모사한 자기세정 및 방오(防汚)현상으로 신 섬유 개발하였고, 사막 딱정벌레의 등껍질에 물을 좋아하는 성분의 돌기를 모사한 수분을 포집하여 사막 물 부족 현상을 해결하는 장치, 건축에서는 흰 개미집을 자연 모사하여 에너지를 최소화한 자연 냉난방되는 건축물이 성공적으로 건축하였다.
 

  또한, 물총새가 물에 뛰어들 때 물이 튀기지 않는 부리 모양을 모사한 일본의 고속열차 신칸센은 에너지를 절감하고 소음도 줄일 수 있었다. 특히, 최근 바이오분야에서는 생체를 모사하여 작은 뇌. 심장, 신장 등의  오가노이드(Organoid)를 만들어 신약개발에 사용하고 있고, 귀의 달팽이관을 미세기계 전자시스템(MEMS, Micro Electro Mechanical System)으로 모사한 인공고막이나 눈의 구조를 모사한 인공 눈들이 만들고 있다.  

  고양이 수염이나 동물의 수염은 촉각을 이용하여 물체의 성질을 인지하는데 이런 촉각을 생체 모사한 로봇(로봇신문, 2016.5.24.)이 영국에서 만들어 졌다. 생명체가 생존하는데 필요한 안정한 상태를 만드는 항상성(Homeostasis)을 유지하는 물질도 생체모사 기술(Angewandte Chemie(2019. 10))로 국내 과학자가 만들었다.

  이런 생체 모사가 한 단계 발전하고 더욱 인공지능으로 진화시키면 살아있는 생물처럼 아주 적은 에너지로도 다양한 결과물을 효율적으로 만들어 생명체의 기능에 근접하는 기술인 생물화 기술로 발전할 것이고 미래과학발전 방향이 될 것으로 추측한다.   

  살아있는 생명체의 기능에 근접한 생물화 기술

  인간을 비롯한 생명체는 아주 효율적으로 에너지를 생산 및 소비하면서 생명체 내에 존재하는 거의 모든 다양한 물질을 생명체 내에서 생합성하고, 또한 발생하는 폐기물은 자체 내에서 거의 완벽하게 처리하여 환경을 조화롭게 하면서 살아가고 있다.

  인간을 예를 들어도 식사만 하고도 인체가 필요로 하는 셀 수 없이 많은 물질들을 완벽하게 만들고 있다. 심지어 현재 과학기술로는 화학합성하기가 불가능한 복잡한 단백질, 유전체, 조절체 등의 고분자 화합물들과 다양한 저분자의 대사체들을 생체 내에서는 효율적으로 만들 수 있다.
 

  만약 인체에 필요한 아주 작은 화학물질도 현재 인간이 만든 공장에서 만든다면 엄청난 크기의 하드웨어와 거대한 에너지가 필요할 뿐만 아니라 결국은 발생하는 환경 오염물질로 지구환경을 파괴하여 일부 학자는 인간에 의해서 지구생명체의 대멸종을 가져오는 “인류세”를 예고하고 있다.

  무엇보다도 많은 물질들은 지금의 과학기술로는 인위적으로 만들 수 없고, 단지 생체 내에서만 만들어 지고 있다. 눈에 보이지 않은 아주 작은 미생물이 만드는 항생제들을 지금의 공정으로 만든다면, 하드웨어는 상상하기 어려울 정도로 클 것이고, 가동하는 데는 엄청난 에너지를 필요로 할 것이다. 생명공학자들은 진보된 첨단 생명공학 기술과 생명청사진인 유전체 정보를 이용하여 단세포 생물인 대장균을 인공생명체를 만드는데 성공하였고, 인공대장균은 오히려 인간에게 필요 없는 부분은 제거하고 필요한 부분만을 생산하고 만드는 생체 공장을 만드는 데 성공하였다.

  특히, 현저히 작은 양의 에너지를 소비하며, 다양한 물질을 고효율 최적화 시스템으로 생산할 뿐만 아니라 스스로 정화작용은 물론 에너지 재생순환 방식으로 활용하여 환경 친화적 시스템을 구축하였다. 즉, 저공해‧저에너지‧고효율의 살아있는 생물이 바로 살아있는 공장이 되고, 생명을 가진 생물로봇의 등장은 생물화 기술이 이미 가동되고 있음을 알 수 있다.

지금의 4차 산업혁명에서 개발된 기술들이 생물화 기술로 한 단계 진화돼 생물의 인지기능을 활용하면 초 저지성이나 극초 연결성으로 확장이 가능하고 생체에너지의 재생 및 효율적 이용은 적은 에너지로도 충분히 정확하게 기능을 할 수 있을 것이다. 개발되는 생물화 기술의 친환경성은 현재 지구가 몸살을 앓고 있는 환경문제도 동시에 해결하여 인류 삶의 질 향상에도 큰 도움이 될 수 있을 것이다.

  4차 혁명시대에서 5차 산업혁명시대로 진화

   제 4차 산업혁명의 핵심기술이 초연결성과 초지능화라면 제5차 산업혁명은 근간기술은 초인지화(Super Cognition)와 초 생명화(Hyper Vivification)능력을 가지는 생물화 기술이 될 것이다.  5차 산업 혁명은 4차 산업 혁명의 기술들이 생물체가 가지는 저공해, 저에너지 고효율, 초인지성을 장착하고 살아있는 생물처럼 자기 스스로 지각하고 행동하는 생물화로 진화되면서 시작될 것으로 예측 한다.

  현재 IT기술의 5G는 LTE기술의 지연시간이 10ms(millisecond. 1/1,000초)인데 비해 지연시간을 1ms를 요구하여 10배나 빨라지는 것을 요구하고 있다. 보통 인간의 반응속도는 25ms인데 LTE기술과 비교해도 늦지만, 고양이나 호랑이등은 인간보다도 훨씬 빠르다. 또 이들보다 휠씬 빠르거나 느린 생물도 얼마든지 있기 때문에 이용의 폭이 넓다고 할 수 있다.  

  초연결성과 초저지성을 동시에 고려하면 사람은 다른 일을 하면서도 무의식적으로 반응하지만 아직까지 컴퓨터는 사람처럼 눈으로 보고, 입으로는 말하면서 동시에 소리를 듣고 냄새를 맡고, 뜨거운 촉감에 반응하는 등 동시에 여러 가지를 인지하고 반응하기에는 아직 한계가 있다. 특히, 생산의 효율성과 선택성, 저에너지 사용, 작은 하드웨어 규모에 따른 효율성, 다양성, 확장성은 생명체와 비교할 수도 없다.

  결국 인공지능은 동시 인지성 (Cognition)을 가지고 빠른 판단을 전제로 최적화 능력, 환경 적용능력, 창의적 접근, 다양한 효율적 연결성, 자율적 판단, 감성 자극에 따른 적극적 변화와 같은 생물이 가지는 기능을 활용하는 생물 화 현상을 이용하는 기술로 진화해 나갈 것이다. 생물의 가장 큰 장점은 아주 작은 에너지로 아주 다양한 작업(유전자 해석, 단백질 및 대사체 합성)등을 동시에 다양하게 행하는 능력은 생물화에 중요한 점이다. 실제로 인공지능에 근간이 되는 Deep Learning기술도 생체 신경의 Deep Neural Networks에서 시작되었는데, 모두 인간 뇌의 Neuron에서 전기신호가 전달되는 과정을 모사하여 발전하였다.

  2020년 Nature지가 전망한 과학기술 트랜드(Nature, The Science events to watch in 2020(2020.1.2.))에도 4개 대륙 15개 실험실에서 협력 연구한 “Synthetic Yeast 2.0”프로젝트를 수행하여 인간과 같은 진핵생물(Eukaryote)인 인공효모(Saccharomyces cerevisiae)를 2020년 말에는 만들 수 있을 것으로 예측한다.  

  진핵생물인 효모를 이용한 에너지, 고등생물이 가지는 복잡한 유전체, 단백질 대사체등의 생산과 조절의 효율성을 통한 생물화 기술로 될 뿐만 아니라 복잡한 인간, 동식물의 기능을 인위적으로 조작하여 최종적으로 생명화와 초인지성을 달성할 수 있는 획기적 청사진을 제공 할 수 있을 것이다.

  생물화의 예로 로봇분야에서는 사람의 몸속에 특정부위에 약물을 전달하기 위해서는 아주 작은 로봇이 필요한데, 이런 로봇을 만드는데 가장 제약이 되는 부분은 구동하는 모터와 배터리의 용량이 커서 실제로 문제점이 많았다. 하지만 원핵생물인 박테리아가 움직일 때 사용하는 프라젤라(Flagella)를 구동모터로 하드웨어를 아주 작게 하였고, 박테리아가 움직일 때 사용 생체 에너지를 이용하는 박테리오봇(Bacteria robot)을 만들어 질병이 생긴 부위에 약물을 전달하는 방법으로 개발하였다. 미국 터프츠대학과 버몬드대학 연구팀이 스스로 움직이고 스스로 치료할 수 제노봇(Xenobots)을 만드는데 성공(PNAS, A scalable pipeline for designing reconfigurable organisns(2020.1.13.))하였다. 크기 1mm정도의 살아있는 로봇으로 자유롭게 움직이고 연료주입 없이 10일 정도 활동을 할 수 있는 세계 최초의 생체 로봇이다.

 아프리카 발톱개구리의 줄기세포를 조립하여 스스로 표피와 심장을 형성시켜서 특정형태로 만들었고 손상을 받아도 스스로 치유하고 움직일 수 있다. 만드는 방법은 수퍼 컴퓨터를 사용하여 구현된 진화론 중 자연선택 현상을 모방하여 실현가능한 해법을 디자인한 뒤, 선택된 최선의 방법을 더 진화시키는 인공지능(AI) 진화 알고리즘을 개발하여 살아있는 생체로봇을 개발하였다. 즉, 슈퍼컴퓨터 학자가 인공지능이 디자인하고 생물학자가 실행하는 협력연구로 생체 로봇 제노봇을 개발하였다. 생체로봇은 최소한의 하드웨어의 크기(1mm)로 기계 로봇이 가지는 모터, 연료전지를 극소화하였고 극 최소한의 에너지로 구동부위를 움직일 뿐 만 아니라, 한번 에너지 공급으로 10일 동안 움직이고 고장이 생기면 스스로 회복, 복제할 수 있는 능력이 있다.

  이런 생물 화된 로봇은 저에너지와 효율적인 최소한의 하드웨어를 가지고 생물처럼 많은 활동(활용)을 할 수 있게 되어 5차 산업혁명 기술의 문을 열고 있는 좋은 기술의 사례가 될 것이다. 현재까지의 1,2,3,4차 산업혁명기술은 자연환경을 파괴하는 환경 공해물질의 양산으로 인한 생체 교란 및 지구 온난화와 같은 지구생태계의 대변화를 야기 시켜왔다. 하지만 5차 산업혁명 기술의 생물화는 건전한 환경과 위협받는 건강을 지킬 수 있기 때문에 전 세계는 5차 산업혁명 기술에 의해서 완벽한 바이오경제시대로 발전할 것이다.

  하지만, 제5차 산업혁명 기술에 의한 생체 로봇 기술 등의 생물화 기술들은 앞으로 분명 윤리적 문제에 봉착할 것이고 많은 토론이 될 가능성이 크다. 최초 개발된 생체로봇을 예로 이야기하면 이전의 기계로봇은 확실히 다르지만, 현존하는 어떤 종의 생명체도 아니어서 법적 판단이 어려울 수가 있다. 제노봇을 새롭게 프로그램 된 살아 있는 유기조직체인 생물학적 기계(Biological machine)로 볼 것인지, 아니면 새로운 생명체의 탄생으로 볼 것인지에 대한 해석이 주목된다. 앞으로 일어날 5차 산업혁명 기술의 주체인 생물 화는 어쩌면 생명체인지 그렇지 않은지 판단조차 하 기도 어렵고, 보는 관점에 따라 이견이 아주 많을 것이다.
 
  그렇지만 환경오염으로 인한 무시무시한 대멸종과 같은 무서운 용어의 등장은 주목하지 않더라도 분명히 느낄 수 있는 지구 온난화와 급격한 지구상 생물 종(種)이 사라지는 통계숫자를 보면서 지구의 현 좌표를 가늠할 수 있다, 윤리문제의 벽을 뛰어 넘을 수 있는 혜안(慧眼)을 만든다면 5차 산업혁명은 현존하는 지구인의 어려움을 해결하면서도 인간의 삶의 질 향상과 풍요로운 삶을 만들어 주는 방향타가 될 가능성은 아주 높다고 생각한다. <ifsPOST>  ​