오태광의 바이오 산책 <42> 살아있는 미래기술융합의 5차 산업혁명 시대가 열린다 > News Insight

 스위스 다보스(Davos)에서 열린 2016년 세계경제포럼에서 Klaus Schwab 회장이 4차 산업혁명 시대를 선언 한지 불과 7년 지난 현재, 벌써 5차 산업혁명이 등장하여 열리기 시작하고 있다. 

정보통신 기술(ICT)을 중심한 4차 산업혁명은 BT, NT, MT 등 기술간 융합을 하여 연결되면서 지능화하는 기술적 특징을 가졌다. 실제로 사물인터넷(iOT)으로 인간과 기계는 물론 모든 것(Everything)을 연결하였고, 이렇게 되면서 기존의 off-line 시장도 on line 시장과 연결하여 O2O(On To Off line) 시대로 발전하였다. 

학제 간 과학기술은 물론 자연과학, 인문과학, 예술영역까지 빠르게 융합하여 인공 지능화 되면서 지능사회로 진입하게 되었다. 경제적으로도 기업 간의 B2B의 시장에서 기업과 소비자를 직접 연결하는 B2C시장까지 확장하여 2015년 8월 맥킨지(Mckinsey)보고에 의하면 200% 이상 시장 창출 효과를 가졌다고 한다. 실제로 사물인터넷은 농장, 공장, 의료, 운송 물류 등의 생산/가공/유통은 물론, 고용, 금융, 보험, 예술 등 모든 인간 생활 분야까지 초 연결되어서 빠른 융합이 일어나고 있다. 

이제, 이런 초연결체가 개인의 손안에 Smart phone과 직접 연결되면서 사람 손안에서 백과사전은 물론 필요한 모든 정보를 실시간으로 검색하는 개인 중심 맞춤형 정보 시대를 열었다. 사물인터넷으로 가능한 모든 데이터를 연결할 수 있어 개인 컴퓨터로도 수많은 Big Data를 수집할 수 있고, 이를 분석, 학습, 판단, 실행하여 한층 진보된 정보를 개인이 제조할 수도 있다. 각 분야별 다양한 Big Data로 무장한 인공지능 컴퓨터는 이미 한정된 분야에서는 인간 두뇌능력을 초월하고 있다.

 인간은 휴식이 필요한데 비해 인공지능은 빠른 컴퓨터 전산 속도로 24시간 쉬지 않고 수없이 많은 반복적 작업을 통해서 높은 정확성과 빠른 판단을 할 수 있어 머지않은 장래에 인간지능을 능가하는 특이점(Singularity)을 상회할 가능성이 많다. 하지만, 인간은 여러 가지를 동시에 인지할 수 있는 능력과 시시각각 바뀌는 작업환경에 적절하고 다양한 대응을 할 수 있는데 비해, 인공지능은 한계 된 인지로 제한된 작업을 하고 예정되지 않은 변화에는 여전히, 기술적 한계점이 있다.

 앞으로 출발할 5차 산업혁명의 주체는 생물보다 높은 인지(Cognition)능력과 살아있는 생물처럼 행동(Vivification)하는 생체 모사기술과 자원의 한계를 극복하기 위해 넓고 풍부한 우주 개척을 목표로 하고 있다. 시의 적절하게, 2023년 1월초  미국 라스베이거스에서 열리는 CES 2023에서는 “몰입형 기술과 확장된 우주(Immersive Tech. and Extended Universe)”를 주제로 열리는데 개인적으로 5차 산업혁명의 화두와 일치한다고 생각한다. 특히, 살아있는 생물이 가진 다양한 인지능력과 생리기능은 이미 완벽하게 몰입된 기술의 결정체라고 할 수 있다. 

구축된 4차 산업혁명의 network와 융합기술 범위와 폭을 획기적 확장하여 생물화 된다면, 초 저에너지, 무한재생 공정, 자연치유 무공해 Process, 고효율 자원 활용 등의 산업기술은 물론 다각도의 인지능력으로 살아있는 정확한 판단은 예술/문화/인문과 같은 분야까지 획기적인 진보를 예약하고 있다. 

즉, 4차 산업혁명에서의 융합이 2차원의 융합이라면 5차 산업혁명의 융합은 다자간 살아있는 3, 4차원의 공간/시간의 융합도 가능해질 것이다. 5차 혁명 시대에 진입하면서 바이오 기술은 4차 산업혁명기술로 얻어진 현재의 융합 결과물을 기반으로 앞으로 일어나는 5차 산업혁명을 이끄는 방향타 역할을 할 것이다. 

<바이오기술 성장 동력은 융합>

 바이오 분야의 획기적인 발전은 4차 산업혁명이 일어나기 이전에 이미 IT와 NT기술과 융합하면서 획기적으로 발전하였다. 인간유전체 해독은 2003년까지 13년 연구로 유전체의 98%를 해독하여 발표하였는데, 분석 비용만 38억 US$가 사용되었다. 초기에는 30억 쌍의 인간유전체 염기쌍을 하나하나 순서대로 분석하여 연결하는 방식을 사용하여 분석속도가 빠르지 못했다. 

컴퓨터 알고리즘의 개발로 유전체를 임의로 잘라서 각개의 짧은 조각을 분석한 후, 마치 퍼즐 맞추듯이 연결하는 방식으로 매우 빠른 분석이 가능하였고, 기존 분석기기에 IT/NT 기술을 융합하면서 초고속 분석이 가능한 새로운 유전체 분석 기기를 개발하여 예상보다는 훨씬 빠르게 인간유전체를 발표할 수 있었다. 

현재는 인간유전체 해독 비용은 500US$ 이하(약 200US$)로 분석할 수 있어 2003년과 비교하면, 비용은 약 7,600만 배 이상 저렴하게 분석할 수 있게 되었고, 초기에 인간유전체는 백인 유전체를 13년 동안 분석했는데, 현재는 마음만 먹으면 수백 명도 하루이내 분석이 가능하여 2003년에 비해 10,000배 이상 빠르게 분석할 수 있게 되었다. 

이렇게 저렴한 유전체 분석 비용과 빠른 분석 속도로 수많은 생물 유전체 분석이 가능하여 유전체 Big Data 시대가 시작되었다. 유전체 Big data는 현재는 바이오뿐만 아니라 IT, NT, MT, CT 기술 등의 발전에 성장엔진이 되고 있다. 인공지능은 4차 산업혁명의 주요산물이지만 현재는 인지(認知)능력이 한정되고 제한된 일을 효율적으로 수행할 수는 있지만, 한꺼번에 동시다발적으로 임무를 수행하거나 작업 환경조건이 수시로 바뀌는 상황에서 실시간으로 하는 수행은 아직 어려움이 많다. 

그렇지만, 만약 인공지능이 인간과 같은 다양한 인지/조절/분석/판단 기능을 할 수 있게 생물화 또는 생명화 된다면, 인공지능은 훨씬 더 크게 발전할 가능성이 있다. 맨눈으로 볼 수조차 없는 개미 크기에 1/1,000인 아주 작은 대장균조차도 수없이 많은 단백질, 대사물질을 인지하여 조절/생산/제거할 뿐만 아니라 다양한 외부환경의 변화에 즉각적인 반응할 수 있다. 

만약, 간단한 하등 미생물인 대장균조차 사람 손으로 인공로봇을 만들려면 엄청난 크기의 하드웨어와 에너지가 필요해서, 현재 기술로는 도저히 만들 수 없을 것이다. 한정된 지구 자원을 극복하는 방법으로 우주로 공간 확장은 필요하지만, 우주 간 이동기술은 물론 우주공간 사이의 사물인터넷이 가능하여야 우주건설, 우주 스마트 농장/공장 운영 등이 가능할 것이다. 

이런 다양해지는 5차 산업혁명형 혁신기술은 더 많은 일자리를 만들 수 있어서 4차 산업 혁명 시대에 걱정하던 인공지능과의 일자리 경합을 걱정할 필요가 없을 것이고, 인공지능의 특이점(Singularity)에 대한 두려움보다는 인간 능력이나 지능을 확장할 수 있는 계기 될 것이다. 생산 로봇이나 유통시스템을 생물 화하면 저에너지, 고효율, 초정밀, 저공해를 달성할 수 있을 뿐만 아니라 자기재생, 분화 및 역 분화로 획기적 기술진화도 가능하다. 

<최근 개발된 5차 산업 혁명 형 바이오 기술>

 최근 진행되고 있는 바이오 5차 산업혁명 형 융합기술 예로 인공생명체 합성, 살아있는 생체 로봇, 인공 자궁, 괴력의 인공근육 개발 및 정보전달 기술을 대표적으로 소개할 수 있다. 

첫 번째 예로 대장균과 같은 간단한 원시 미생물은 유전체 분석 결과를 토대로 현재, 이미 인공적으로 합성하였고, 인간과 같은 진핵생물인 인공효모(Saccharomyces cerevisiae)는 인위적으로 오는 2020년대 말까지는 만들 수 있을 것으로 기대하고 있다. 

두 번째로 모터와 배터리 등 무거운 하드웨어의 로봇을 살아있는 생물화 기술을 접목하여 살아있는 로봇을 만드는데 성공하였다. 미국 과학자들이 아프리카 발톱개구리 줄기세포를 조립하여 심장이 뛰고, 살아서 움직이고 상처를 스스로 치료할 수 있는 “살아 움직이는 생체 로봇”(2021)인 “제노봇”을 만들었다. 

제노봇은 개구리 줄기세포로 만들었기 때문에 바이오 과학자의 작품으로 생각하기 쉽지만, 실제로는 슈퍼컴퓨터를 사용하여 자연선택 현상을 모방하여 구현한 진화론을 인공지능(AI) 진화 알고리즘으로 더 진화시키는 방법으로 개발하여 살아있는 실현 가능하게 로봇 디자인한 뒤, 선택된 최종 디자인으로 바이오 과학자가 실제로 살아있는 생체 로봇을 제조하였다.

 즉, 슈퍼컴퓨터 학자가 인공지능으로 디자인하고 바이오 과학자가 실행하는 협력 연구로 생체 로봇 제노봇이 탄생하였다. 생체 로봇은 최소한의 하드웨어(1mm)로 기계 로봇이 가지는 모터, 연료전지를 극소화하였고, 최소한의 에너지로 구동 부위를 움직일 뿐 아니라, 한번 에너지 공급으로 10일 동안 움직일 수 있고, 고장이 생기면 스스로 회복, 복제할 수 있는 놀라운 능력이 있다. 

특히, 제노봇은 1.0세대에서 시작하여 더욱 기술 진화하여 빠르게 구동하기 위해서 모터보트의 스크루 같은 섬모를 달고 빠르게 움직일 수 있고, 환경에도 적응할 수 있는 2.0세대에 이어 자체 복제 능력이 있는 3.0세대, 자식을 복제할 수 있을 뿐만 아니라 필요에 따라 형태와 크기를 바꾸고 에너지 충전 없이 생존 기간을 140-150% 연장한 4.0세대까지 진화하고 있다. 

세 번째 예로는 여러 가지 이유로 정상적인 자연 출산으로 자식을 얻기 어려운 경우 현재는 여성의 난자와 남성의 정자를 시험관에서 수정하고 배반 포까지 키워서 살아있는 여성의 자궁에 이식하여 키운 후 아기를 출산하고 있는데, 시험관에서 만든 정자 난자 결합 된 수정란을 살아있는 여성에게 착상시키지 않고, 인공으로 만든 자궁에서 아기를 출산하는 기술이 최근 논문으로 발표되었다. 

줄기세포를 시간의 흐름을 거꾸로 한 역 분화기술이 성공(2012)하여 최근 정자를 인공으로 만들었고 어쩌면 가까운 장래에 인공 난자로 만들어질 것으로 예상한다. 만약, 피부와 같은 성체 세포를 역 분화하여 정자, 난자를 만들어 시험관에서 수정란을 만들고 인공자궁에서 아기를 출산하면 전혀 사람의 몸이 아닌 단지, 한 조각의 세포로 원하는 아기를 출산할 수도 있다는 극히 비인간적인 위험한 상황이 성공할 수도 있다. 

실제로, 중국과학원에서 개발(2022)한 “인공 자궁 AI 관리시스템”은 동물의 생체를 이용하지 않고 대량으로 동물을 출산할 수 있게 되어 동물의 생산성을 획기적으로 변화시킬 수 있지만, 공상과학 영화처럼 사람을 대량으로 출산시킬 수도 있다는 아찔한 상상에 큰 두려움을 느낀다. 

배아줄기세포 사용은 생명 윤리라는 중대한 한계점이 있지만 역 분화 줄기세포의 개발로 많이 해결되어가고 있다. 하지만, 역 분화 인자를 생체 내 주입할 때 바이러스를 운반체로 사용하여 원하지 않는 바이러스 유전자가 인체에 혼입 등과 같은 문제점이 많았는데, 나노기술, 화학, 바이오기술을 융합한 나노입자, 고분자, 엑스좀 등을 사용하는 바이러스를 대체하는 방법이 개발되고 있다. 

실제로 인체 줄기세포의 역 분화 원리를 이용해서 53세의 여성 실험자의 피부에 역 분화 인자를 주입하여 13일 만에 30년 되돌린 23세의 피부로 회춘하는데 성공(e Life, 2022.4)하였고, 회춘한 피부 기능도 젊은 23세 피부로 정상적인 역할을 한다는 것을 밝혀져서 피부세포의 노화 시계를 30년 거꾸로 되돌릴 수 있다는 결과가 발표되었다. 이런 결과는 피부뿐만 아니라 인간의 모든 기능을 회춘시키는 놀라운 일도 가능할 수도 있을 것으로 기대하고 있어 가까운 장래에 인간수명 200세 시대라는 이야기가 회자될 수도 있을 것으로 예상한다. 

네 번째, 사람의 근육보다 작업수행 능력이 17배, 출력밀도가 6배 이상인 인공근육이 개발되었다. 온도의 변화에 따라 수축이 가능한 액정물질(LCE fiber)에 나노기술로 만든 아주 얇은 막(0.2nm)구조의 고품질 탄소 동소체인 그래핀(Graphene)은 높은 강도, 탄성, 전기 및 열전도도를 가진 인공근육의 재료가 되고 레이저를 이용한 원격제어가 가능하도록 만든 것이다. 

인공 근육으로 만든 인공 자벌레는 살아있는 자벌레에 비해 3배나 빠른 속도로 움직이는 기록을 달성(그림 1)하였다. 로봇이나 인공장기 개발 시 생물의 근육과 유사한 운동을 할 수 있는 기술 개발은 매우 중요한데, 아직까지 주로 기계장치에 의존하여 생물처럼 유연하게 움직이지는 못했다. 이제 강철보다 200배 강하면서, 구리보다 100배 전기전도가 잘 되고, 반도체인 규소 단결정보다 100배 이상 전자 이동이 좋으면서도 열전도성이 높고 탄성이 뛰어나 늘이고 구부릴 수 있는 그래 핀을 이용한 인간근육을 자연 모사하는 기술이 성공하였다.

 인공근육을 이용하면 생물이 가진 자연근육보다 뛰어난 성능으로 다양한 생물 화된 로봇, 기계 소재 등을 만들 수 있을 것으로 기대한다.

 다섯 번째, 발생하는 수많은 정보를 전달하는 정보통신 문제에서는 수없이 많은 방향으로 동시에 연결할 수 있는 능력과 즉각적으로 시간 지체 없이 연결되는 저지성 극복이 매우 중요하다. 4차 산업혁명에서는 연결성과 저지성을 해결하기 위해 정보통신 기술은 5G 기술로 획기적으로 개선하려 하고 있다. 

결국, 현재 사용하는 LTE 기술보다 5G 기술은 속도는 20배, 용량은 100배, 시간은 1/10 로 단축하여 10ms(millisecond, 1/1,000초)로 개선하고자 한다. 이런 기술이 확립되지 않으면 4차 산업혁명의 산물인 무인자동차, 드론, 로봇, 가상현실 등 기술들은 오히려 조절할 수 없는 사고뭉치로 변할 위험성이 있다. 하지만 이런 연결성과 저지 성을 해결하기 위해서는 막대한 장비와 에너지가 선결되어야 한다. 

생물종은 각기 다른 능력의 오감(五感 : 시각, 청각, 후각, 미각, 촉각)을 가지고 있고, 발생하는 감각들을 동시에 빠른 속도로 인지하고 뇌에서 판단하고 빠른 속도로 반응하지만, 그다지 큰 장비와 에너지 없이도 가능하다. 

결론적으로 다양한 연결성과 저지성이 극복하면서 자기 재생이 가능하고 적은 에너지와 몰입되어 효율적인 하드웨어 구성이 가능한 생물 화 기술은 앞으로 다가올 5차 산업혁명에 중요한 역할을 할 수 있을 것이다. 

<생물체 내 정보통신 시스템 구축>  

 필요한 자원을 확보하기 위해 우주로 확장은 5차 산업혁명 시대에는 위성 간의 원활한 통신이 필요하듯이 생물체도 생체 외부에서 내부로, 생물체내 기관, 장기간 신호 및 물질을 전달하는 정보통신 및 유통 방법이 있어야 한다. 현재, 생물체외부에서 내부로 정보(유전정보)를 전달하는 운반체로 주로 바이러스를 사용하는데, 바이러스는 원하는 유전정보를 전달도 하지만 목적이외의 바이러스 유전정보를 인간유전체에 삽입하게 되면 많은 부작용이 생길 수 있다.

 이런 문제점을 극복하기 위해서, 나노, 화학, 바이오등의 융합기술을 활용하여 비 바이러스 물질인 나노입자, 고분자물질, 엑소좀, 에피좀 등이 속속 개발되고 있다. 좋은 예로 최근 개발되어 뛰어난 효과가 있는 코로나19 백신인 mRNA 백신을 들 수 있는데, 코로나19 바이러스의 항체를 만드는 항원 mRNA(정보)를 엑스좀으로 운반하여 사람의 몸속에 전달하면 사람이 스스로 바이러스에 대한 항체를 만들어 코로나19를 예방할 수 있다.

 또한, 생물에 나쁘거나 비정상을 발현시키는 필요 없는 유전자를 제거하거나 고칠 수 있는 유전자 편집기술로 생물유전체중 필요 없는 유전자(정보)를 제거하거나 정상 유전자(정보)로 교환하는 방법이 사용되고 있다.  갈변하지 않는 버섯, 수면촉진 토마토, 뿔을 없앤 젖소가 유전자 편집되어 이미 시판(그림 2)하고 있고, 유전자 편집기술로 질병의 원인이 되는 유전자를 편집하여 가족력이 있는 유전 질병도 근본적으로 치료할 수 있게 한다. 

인체의 기관과 장기들 사이도 아무런 관계가 없는 것이 아니라 연결체(Connectome)를 형성되어 있어서 뇌에 발생한 질병도 내장이상과 관련 있다는 뇌-장 연결 축(Brain-Gut Axis) 등이 보고되어 인체 내에서 정보 및 물질이동은 건강관리에 매우 중요하다. 이런 생체외부에서 정보가 내부로 전달되면 생체내부는 비정상적인 부위를 교정하여 정상화되면 현재 많이 개발된 약품의 큰 도움 없이 치료/재생이 가능할 수도 있다, 

사실, 뛰어난 과학기술 발견은 창의적인 발명으로도 생각할 수도 있지만, 큰 틀에서 보면 이미 존재하는 자연에서 영감을 얻거나  생체모사(Nature inspired and Biomimicry)한 기술이 대부분이기 때문에 자연현상과 생물을 이용한 생물 화 융합기술은 매우 중요하다. 결국, 5차 산업혁명의 생물 화 기술은 초인지(Super Cognition)와 초생물화(Hyper vivification) 능력을 확보하기 위해서 기술주체 간 융합으로 저공해, 저에너지, 고효율, 초인지, 자기재생 능력을 갖춘 생물체와 같은 시스템 개발하는 것으로 생각한다. 

<맺는말>

산업혁명이 1차에서 4차까지 발전하면서 효율성과 생산성은 극도로 높여왔지만, 극심한 환경파괴로 지구 온난화와 같은 위기 상황을 만들고 있다. 5차 산업혁명은 단순한 기술간 융합보다 융합을 통한 새로운 창조를 만들기 위해 지구상에서 적어도 30억 년 이상 다변한 환경에 적응하여 쌓은 생존 경험을 가진 생물체의 지혜가 큰 도움이 될 것이다. 

아직도 진행되고 있는 코로나19의 펜데믹도 융합기술의 산물인 빠른 유전체 분석기술로 코로나19 바이러스의 정체를 밝혔고, 코로나19 이전에 감염병 백신을 개발하는데 7-10년이 필요한데, 발전한 4차 산업 혁명식 융합기술로 1년 이내에 코로나19 백신을 만들어 실용화했기 때문에 어느 정도 성공적으로 코로나19를 막을 수 있었다. 또한, 지금까지 주로 외부에서 만든 백신으로 예방을 했는데, 이제 생체로 정보전달 시스템을 이용하여 유전자 정보인 mRNA를 생체에 전달하여 인간이 스스로 백신을 만들어 예방하는 획기적 백신의 개발은 많은 생명을 구하였다. 

생물화 융합기술로 개발되어 성공한 예로 들고 있는 인공생명체 합성, 살아있는 생체 로봇, 인공 자궁, 괴력의 인공근육 개발 및 생체 내 정보전달 기술은 대부분 생체기능을 모방하여 주로 바이오, 나노, 화학, 및 IT 기술이 융합하여 완성한 5차 산업혁명의 출발을 알리는 시제품이란 생각이 든다. 이제 2023이 시작되는 1월을 맞으면, 이제 단지 융합기술이 나무만 보는 미시적이고 수동적인 자세를 벗어나 숲을 보는 거시적이고 능동적인 창의적 자세로 5차 산업혁명을 우리나라가 먼저 시작할 수 있도록 과학자의 지혜를 모을 필요가 있는 시점이다. 

아울러, 5차 산업혁명을 통해 생물 화와 우주 확장이란 목표 달성을 위해 과학기술 간의 창조적인 융합이 가능하다면 현재, 요구받고 있는 ESG를 구현은 물론 친환경적 우주 확장으로 인류의 건강한 수명연장과 삶의 질 향상은 물론 더 많은 풍요로움을 줄 수 있을 것으로 기대한다. 

<ifsPOST>