Ⅰ. 트랜스휴먼 시대의 휴먼증강 시장동향과 사회구현을 위한 기술 트렌드 및 전망 37

1. 휴먼증강 개요 37

1) 개념 37

2) 기술 범위 39

3) 기술 분야 40

(1) 학문분야에서 휴먼증강 기술 40

(2) 국가과학기술분류체계에서 휴먼증강 기술 42

2. 가트너 2020년 10대 전략 기술과 휴먼증강 45

1) 개요 45

2) 2020년 10대 전략 기술 트렌드 47

(1) 인간 중심(People-Centric) 47

1.1) 초자동화(Hyperautomation) 47

1.2) 다중 경험(Multiexperience) 47

1.3) 전문성의 민주화(Democratization of Expertise) 48

1.4) 휴먼증강(Human Augmentation) 49

1.5) 투명성과 추적성(Transparency and Traceability) 50

(2) 스마트 공간(Smart Spaces) 51

2.1) 자율권을 가진 엣지(The Empowered Edge) 51

2.2) 분산형 클라우드(Distributed Cloud) 51

2.3) 자율사물(Autonomous Things) 52

2.4) 실용적 블록체인(Practical Blockchain) 52

2.5) 인공지능 보안(AI Security) 53

3. AR 미래 전망과 휴먼증강 55

1) Context-aware Augmented Reality 55

2) Augmented Human Platform 56

(1) 개념 56

(2) 기술 현황 58

2.1) 사용자 맥락인지 58

2.2) 실시간 사용자 위치/관심 객체 인식 59

2.3) 3차원 실감증강 60

2.4) 새로운 상호작용 인터페이스 61

3) 인간 중심 UI/UX를 접목한 AR 기술 기반 시나리오 62

(1) 개요 62

(2) 미래 시나리오 63

4. 휴먼증강 시장특성 및 전망 65

1) 시장범위 및 구성 65

2) 시장규모 및 전망 66

(1) 글로벌 시장규모 및 전망 66

(2) 분야별 시장규모 및 전망 67

2.1) 기술분야별 시장동향 67

2.2) 산업분야별 시장동향 67

(3) 지역별 시장규모 및 전망 69

3) BMI 시장성 평가 70

4) 기술별 시장 특성 및 주요 플레이어 72

(1) 인지능력 증강기술 72

1.1) Brain Implant 72

1.1.1) 시장 특성 72

1.1.2) 주요 플레이어 분석 73

1.2) Neurofeedback 74

1.2.1) 시장 특성 74

1.2.2) 주요 플레이어 분석 75

1.3) Mind Reading 76

1.3.1) 시장 특성 76

1.3.2) 주요 플레이어 분석 77

(2) 신체능력 증강기술 80

2.1) 지각능력 80

2.1.1) 인공시각 80

2.1.2) 인공청각 81

2.2) 운동능력 82

2.2.1) 근력증강로봇 82

5. 트랜스휴먼 사회구현을 위한 기술 트렌드 85

1) 트랜스휴먼 사회 등장 85

2) 트랜스휴먼의 실현 가능성 87

3) 4차 산업혁명과 트랜스휴먼 89

4) 트랜스휴먼 시대 분야별 미래 시나리오 및 이슈 90

5) 주요 트랜스휴먼 구현 기술동향 91

(1) 개요 91

(2) 국내외 R&D 현황 93

(3) 주요 구현 기술동향 94

3.1) Bio Artificial organs 94

3.2) Neuromorphic 95

3.3) Human-on-a-chip 97

3.4) Brain-Machine Interface 99

3.5) Wearable Robot 101

3.6) Superintelligence 103

6. 휴먼증강을 위한 국내외 뇌연구 정책동향 107

1) 뇌연구 개요 107

(1) 범위 107

(2) 분류체계 109

2.1) 국내 109

2.2) 국외 110

2.2.1) 미국 110

a) Society for Neuroscience 110

b) NIH 111

c) NINDS 111

2.2.2) 일본 112

2) 뇌 관련 시장동향 및 전망 113

3) 글로벌 뇌연구 개발 트렌드 및 2027 미래상 114

(1) 글로벌 뇌연구 개발 트렌드 114

(2) 2027 뇌연구 미래상 115

4) 국내 휴먼증강 관련 투자계획 및 뇌연구 정책동향 116

(1) 2019년도 과기정통부 융합기술개발사업 시행계획 116

(2) 뇌연구혁신 2030: 제3차 뇌연구촉진 기본계획 119

2.1) 개요 119

2.1.1) 근거 및 성격 119

2.1.2) 수립체계 119

2.1.3) 주요 목표 및 성과 120

2.2) 비전 및 목표 121

2.3) 중점 추진과제 121

2.3.1) 인간 뇌 이해를 위한 뇌 연구 고도화 121

2.3.2) 생애주기별 맞춤형 건강뇌 실현 123

2.3.3) 뇌원리 적용 지능화 ‧ 융합 신기술 개발 124

2.3.4) 공유‧융합 촉진 뇌연구 생태계 구축 125

2.3.5) 글로벌 협력체계 구축 127

2.3.6) 기술·창업 중심의 태동기 뇌산업 육성·지원 129

5) 국외 주요국 뇌연구 관련 R&D 정책동향 130

(1) 미국 131

1.1) Human Connectome Project 131

1.2) BRAIN Initiative 132

(2) 유럽 134

2.1) Human Brian Project 134

(3) 중국 136

3.1) China Brain Project 136

(4) 일본 138

4.1) Brain/MINDS 138

Ⅱ. 인지적 증강을 위한 기반기술 분석 및 인지·지각능력 향상 기술동향 143

1. 기반기술: 뇌-기계 인터페이스(BMI) 143

1) 개요 143

(1) 개념 143

(2) 시스템 구조 145

(3) 활용 분야 146

(4) 패러다임 모델 147

(5) 동작 및 주요 기술 148

5.1) 동작 단계 148

5.1.1) 뇌기능 신호 획득 148

5.1.2) 전처리 과정(Preprocessing) 149

5.1.3) 특징 추출(Feature Extraction) 150

5.1.4) 추출된 특징 구분 및 학습 151

5.2) 주요 기술 152

5.2.1) 뇌전도 측정 152

5.2.2) 상호적응 BMI 153

5.2.3) BMI 시스템 훈련 154

5.2.4) 사용자 훈련 155

2) BMI 시장동향 및 전망 156

(1) 국내외 시장규모 및 전망 156

1.1) 국내 156

1.2) 국외 156

(2) 제품 및 서비스 시장전망 157

(3) 기술방식별 시장규모 및 전망 157

(4) 응용분야별 시장규모 및 전망 158

4.1) 시장규모 비중 변화 158

4.2) 시장규모 및 예측 159

(5) 아태지역 시장규모 및 전망 160

3) BMI 윤리적 시사점 및 산업동향 161

(1) 윤리적 문제 161

(2) 시장경쟁 상황 163

(3) 국내외 관련 R&D 정책동향 165

3.1) 국내 165

3.2) 국외 165

3.2.1) 미국 165

3.2.2) EU 166

3.2.3) 중국 167

(4) 국내 특허동향 168

4.1) 연도별 출원건수 동향 168

4.2) 출원인별 출원건수 현황 168

4.3) 세부기술별 출원건수 동향 169

4.4) 응용분야별 출원건수 동향 169

4) 뇌신호 측정기술 동향 및 R&D 사례 171

(1) 분류 171

(2) 비침습적 BMI 기술동향 174

2.1) 뇌파(EEG) 174

2.1.1) 개념 174

2.1.2) 전극(Electrode) 174

2.1.3) 뇌파의 종류 175

2.1.4) 뇌파의 특징 176

a) 운동상상(Motor Imagery) 176

b) 사건유발전위(ERP) 177

c) 정상상태 시각유발전위(SSVEP) 178

2.2) 기능적 자기공명 영상(fMRI) 179

2.2.1) 개요 179

2.2.2) fMRI의 획득 181

2.2.3) fMRI 기반 BMI 182

2.3) 기능적 근적외선 분광법(fNIRS) 183

(3) 침습적 BMI 기술동향 186

3.1) 개요 186

3.2) 뇌피질 뇌파(ECoG) 187

3.3) 미세전극(Micro-Electrodes) 188

(4) 국내외 주요 기관/기업별 R&D 사례 190

4.1) 국내 190

4.1.1) KIST 190

4.1.2) KAIST 191

4.1.3) UNIST 193

4.1.4) 고려대학교 193

4.1.5) 한양대학교 195

4.1.6) ㈜소소 197

4.2) 국외 198

4.2.1) 싱가포르 과학기술청 198

4.2.2) 미국 방위고등연구계획국 198

4.2.3) 매사추세츠공과대학교 199

4.2.4) 미네소타대학교 200

4.2.5) 피츠버그대학교 200

4.2.6) 오하이오주립대학교 201

4.2.7) 로잔연방공과대학교 202

4.2.8) 뉴러블(Neurable) 202

4.2.9) 뉴럴링크(Neuralink) 203

4.2.10) 페이스북(Facebook) 204

a) 브레인 타이핑 204

b) CTRL-Labs 인수 205

5) 뇌신경 탐침(neural probe) 기술동향 및 발전전망 207

(1) 개념 207

(2) 마이크로 탐침과 기계적 한계 209

2.1) 뇌신호 측정위치에 따른 센서 종류 209

2.2) 기계적 한계 209

(3) 관련 기술 및 연구동향 211

3.1) 유리 전극 211

3.2) 유타 전극 211

3.3) 마이크로 와이어 전극 212

3.4) 미시간 프로브 213

3.5) 미세유체채널 접목 뇌신경 탐침 213

3.6) 광유전학 기능 접목 뇌신경 탐침 214

(4) 나노기술 기반 연구동향 및 사례 216

4.1) 탄소나노튜브 216

4.2) 그래핀 217

4.3) 나노와이어 218

4.4) 기타 220

(5) 미래전망 222

5.1) 기술의 발전방향 222

5.1.1) Low Tissue Damage 222

5.1.2) Multi-Modal 223

5.1.3) Long-term duration 224

5.1.4) Brian Activity Mapping 224

5.2) 기술적용 및 미래사회 225

5.2.1) 신경·능력 회복 기술에의 적용 225

5.2.2) 뇌 활동 분석 226

5.2.3) 가상세계 및 인공 칩 인식 227

2. 주요 인지능력 향상 기술 및 연구동향 228

1) 마인드리딩 228

(1) 개념 228

(2) 주요 연구성과 사례 228

(3) 마인드리딩 AI 기술동향 및 사례 232

3.1) 뇌 활동과 AI를 활용한 마인드리딩 232

3.1.1) 매사추세츠공대(MIT) 232

3.1.2) UC샌프란시스코대 233

3.1.3) 페이스북/MS 234

3.2) 시각적 이미지와 AI를 이용한 마인드리딩 234

3.3) VR게임 및 자동차 제어 등에 응용 235

3.3.1) 뉴러블(Neurable) 235

3.3.2) 룩시드랩스(Looxid Labs) 236

3.3.3) 닛산(NISSAN) 236

3.3.4) 고려대학교 237

2) 뇌임플란트 238

(1) 개념 238

(2) 잠재수요 및 실현요인 239

2.1) 잠재수요 요인 239

2.2) 잠재수요 실현요인 240

(3) 관련 연구 프로젝트 및 성과 사례 241

3.1) 정부 주도 프로젝트 동향 241

3.2) 산업의 선행연구 242

3.3) DBS 및 외부기기 제어 연구성과 사례 242

3.3.1) 심부뇌자극(DBS) 242

3.3.2) 외부기기 제어 243

3.4) 주요 기관/기업별 연구성과 사례 244

3.4.1) UPenn 244

3.4.2) 도쿄대학교 245

3.4.3) 스탠포드대학교 245

3.4.4) Synchron 246

3.4.5) Paradromics 247

3.4.6) Neuralink 247

3.4.7) Kernel 249

3) 뉴로피드백 250

(1) 개념 250

(2) 주요 연구동향 251

3. 주요 지각능력 향상기술 및 연구동향 253

1) 인공시각 253

(1) 개요 253

1.1) 개념 253

1.2) 기기 분류 254

(2) 주요 연구성과 사례 256

2.1) 주요 기술별 연구동향 256

2.1.1) 포토다이오드 기반 인공망막 256

2.1.2) 광유전학 기술을 활용한 인공망막 257

2.1.3) 고밀도 미소전극 어레이 등 개발 257

2.1.4) 일반인 시력 향상 연구 258

2.2) 기기 분류별 대표 기술개발 사례 259

2.2.1) 망막상 자극 장치 259

a) Argus Ⅱ 259

2.2.2) 망막하 자극장치 261

a) Alpha-IMS 261

2.2.3) 맥락막상 자극장치 262

a) Bionic Vision Australia 262

b) 서울대학교·서울대병원 263

(3) 최신 기술동향 264

3.1) Flexible materials 264

3.2) Photovoltaic materials 265

2) 인공청각 267

(1) 개념 267

(2) 주요 연구 성과사례 268

2.1) 단일채널 인공와우 268

2.2) 다중채널 인공와우 268

Ⅲ. 물리적 증강을 위한 근력증강 웨어러블 로봇 산업동향 및 기술분석 273

1. 기술 개요 273

1) 개념 273

2) 분류 275

(1) 근력증강 시스템 분류 275

1.1) 분류 275

1.2) 시스템 비교 275

(2) 착용자 목적에 따른 분류 277

2.1) 분류 277

2.2) 개발 현황 278

3) 기술 범위 279

(1) 제품분류 관점 279

(2) 공급망 관점 280

4) 핵심기술 요소 281

2. 산업동향 및 전망 282

1) 산업구조 282

2) 국내외 시장규모 전망 283

(1) 국내 283

(2) 국외 284

3) 기술적 이슈 및 R&D 정책동향 285

(1) 기술적 이슈 285

(2) 주요국 R&D 정책동향 286

4) 대표 상용화 사례 287

(1) Cyberdyne 287

(2) Lockheed Martin 288

(3) LG전자 289

5) 관련 특허동향 290

(1) 국가별 Activity Index 및 시장력 분석 290

1.1) 특허 활동지수 비교 290

1.2) 주요국 시장력 분석 291

(2) 국내 특허동향 292

2.1) 연도별 특허출원 동향 292

2.2) 특허 출원인 분석 292

2.3) 다출원 기업(기관) 293

3. 분야별 기술동향 및 R&D 사례 295

1) 근력증강 시스템 핵심기술 동향 295

(1) 기술구성 295

(2) 핵심기술 동향 296

2.1) 액추에이터 기술 296

2.2) 사용자 움직임 및 의도파악 기술 297

2) 주요 활용분야별 근력증강 시스템 기술 및 R&D 사례 300

(1) 군사 분야 302

1.1) 시스템 분류별 기술동향 302

1.1.1) 외골격형 근력증강 시스템 302

1.1.2) 슈트형 근력증강 시스템 303

1.2) 최신 기술개발 및 활용사례 304

1.2.1) 록히드마틴(Lockheed Martin) 304

1.2.2) USSOCOM 305

1.2.3) LIG넥스원 306

1.2.4) 하버드대·중앙대 307

(2) 산업분야 309

2.1) 시스템 분류별 기술동향 309

2.1.1) 외골격형 근력증강 시스템 309

2.1.2) 슈트형 근력증강 시스템 310

2.2) 최신 기술개발 및 활용사례 311

2.2.1) 현대차·기아차 311

a) CEX 311

b) VEX 312

2.2.2) 한국기계연구원 314

2.2.3) 포드(Ford) 315

2.2.4) 사코스 로보틱스(Sarcos Robotics) 316

2.2.5) 이노피스(Innophys) 317

(3) 의료·재활 분야 319

3.1) 차세대 시장 동력으로 부상 319

3.2) 시스템 분류별 기술동향 320

3.2.1) 외골격형 근력증강 시스템 320

3.2.2) 슈트형 근력증강 시스템 321

3.3) 최신 기술개발 및 활용사례 323

3.3.1) 헥사시스템즈(HEXAR Systems) 323

3.3.2) 에이치엠에이치(HMH) 324

3.3.3) 엑소아틀레트아시아(Exoatlet Asia) 326

3.3.4) 슈퍼플렉스(Superflex) 328

3.3.5) 클리나텍(Clinatec) 328

3.3.6) 호주 뉴캐슬대학 329

3) 착용자별 근력증강 로봇 대표기술 분석 및 전망 331

(1) 비장애인 332

(2) 완전마비 장애인 334

2.1) 개요 334

2.2) 관련 대표기술 분석 335

2.2.1) 대표기술: WalkON Suit 335

2.2.2) 설계 기술 336

a) 워크온수트 버전별 설계기술 비교 336

b) 워크온수트 구성요소별 맞춤 설계기술 338

2.2.3) 제어 알고리즘 339

a) 보행 제어 339

b) 작동 모드 341

2.2.4) 안전 기준 341

2.2.5) 착용자 훈련 343

(3) 노약자 및 부분마비 장애인 345

3.1) 개요 345

3.2) 국내외 상용화 현황 346

3.2.1) 국내 346

3.2.2) 국외 347

3.3) 관련 대표기술 분석 348

3.3.1) 대표기술: Angel-Suit/Angelegs 348

3.3.2) 무저항 구동기 설계기술 350

a) 착용자별 관절 구동기 비교 350

b) 직렬탄성구동기(SEA) 350

c) 무저항 구동 352

3.3.3) 로봇 제어 알고리즘 353

3.3.4) 행동의도 파악기술 353

a) 족저압 측정센서를 이용한 보행패턴 분석 353

b) 퍼지 논리 알고리즘을 이용한 보행상태 검출 354

c) 관성센서를 이용한 동작측정 354

d) 인공신경망 구성을 통한 동작의도 파악 355

3.3.5) 안전성 보장기술 357

a) 운동범위 설정 357

b) 기계/전기적 안전성 358

Ⅳ. 신체증강휴먼을 위한 바이오 인공장기 산업실태 및 기술전망 361

1. 바이오 인공장기 개요 361

1) 개념 361

2) 종류 361

3) 발전전망 364

2. 바이오 인공장기 시장동향 및 전망 366

1) 국내 366

(1) 2015-2018 생산규모 추이 366

1.1) 생산규모 366

1.2) 수출규모 366

1.3) 수입규모 367

(2) 시장규모 및 전망 368

2) 국외 369

3. 바이오 인공장기 산업실태 및 분석 371

1) 산업특징 및 구조 371

(1) 산업특징 371

(2) 산업연관 구조 372

2) 기술수준 분석 373

(1) 주요국 기술수준 분석 373

1.1) 이종장기·세포 기반 인공장기 분야 373

1.2) 전자기기 인공장기 분야 374

(2) 국내 정부추진 사업동향 376

3) 기술적 장애요인 377

4) 주요 플레이어 분석 379

(1) 국내 379

1.1) ㈜프레제니우스메디칼케어코리아 379

1.2) ㈜루시드코리아 380

1.3) ㈜엠젠플러스 381

1.4) ㈜토닥 382

1.5) ㈜박스터 382

1.6) 안국바이오진단㈜ 383

1.7) 라이프리버㈜ 383

1.8) 한스바이오메드㈜ 384

(2) 국외 386

2.1) Baxter International 387

2.2) SynCardia Systems 388

2.3) Fresenius Medical Care 388

2.4) Cochlear 389

2.5) Medtronic 389

4. 바이오 인공장기 종류별 기술동향 및 전망 391

1) 이종장기 391

(1) 기술현황 391

(2) 분류별 기술개발 동향 및 사례 391

2.1) 인공췌도 391

2.2) 인공각막 393

2.3) 인공심장 393

2.4) 인공간 394

2) 세포 기반 인공장기 395

(1) 기술동향 395

(2) 분류별 기술개발 동향 및 사례 397

2.1) 인공간 397

2.2) 인공폐 397

2.3) 인공심장 398

2.4) 인공뇌 399

2.5) 인공피부 399

2.6) 인공혈관 401

2.7) 인공신장 402

2.8) 인공자궁 402

2.9) 인공척수/인공근육 404

(3) Organoids 기술 R&D 트렌드 405

3.1) 기술 개요 405

3.2) 최신 R&D 트렌드 현황 406

3.2.1) Self-organization of stem cells into embryos 406

3.2.2) Cancer modeling meets human organoid technology 407

3.2.3) Organoids by design 409

3.2.4) Organoids-on-a-chip 411

(4) 3D 바이오 프린팅 기술동향 412

4.1) 기술 개요 412

4.1.1) 개념 412

4.1.2) 출력 방법 413

4.1.3) 바이오잉크 414

4.2) 3D 바이오 프린팅의 소재 416

4.3) 3D 바이오 프린팅 프로세스 417

4.3.1) 인공지지체 기반 3D 바이오 프린팅 기술 417

4.3.2) 3D 세포 프린팅 기술 417

4.4) 주요 연구개발 동향 418

4.4.1) 세포 프린팅을 위한 바이오잉크 개발 418

4.4.2) 바이오프린팅을 통한 인공 조직, 인공장기 제작 420

4.4.3) 바이오프린팅을 통한 살아있는 생체시스템 제작 421

4.5) 인공장기별 기술개발 동향 422

4.5.1) 인공피부 422

4.5.2) 인공간 422

4.5.3) 인공심장 423

4.5.4) 인공근육 424

4.5.5) 인공뼈 424

4.5.6) 인공혈관 425

3) 전자기기 인공장기 426

(1) 기술동향 426

(2) 분류별 기술개발 동향 및 사례 427

2.1) 인공심장 427

2.1.1) 리오타 427

2.1.2) 아비오메드 427

2.1.3) 신카디아 428

2.1.4) 미국 일리노이대학 429

2.2) 인공췌장 429

2.3) 인공신장 430

2.4) 인공눈 431

2.5) 인공의수･의족 432

Ⅴ. 부 록 437

1. 「뇌연구 혁신 2030」 R&D 중점과제 및 정책의제별 연구과제 437

1) 인간 뇌 이해를 위한 뇌연구 고도화 437

(1) 뇌지도 구축 437

1.1) 팬오믹스 기반 신경계 형성 및 작동기전 규명 437

1.2) 고위 뇌기능 분석 438

1.3) 신경계 구성 세포간 상호작용 연구 439

(2) 범용성 핵심기술 개발 440

2.1) 초고해상도 뇌신호 정밀 측정기술 440

2.2) 멀티스케일 뇌신경활동 측정기술 440

2.3) 고위 뇌기능 및 뇌질환 특화 뇌신경망 규명 441

(3) 사회·문화적 행동연구 443

3.1) 인지기능의 다층적/통합적 작용 모델구축 및 활용 443

3.2) 일상기반 고등인지 기능 연구/분석/활용기술 개발 443

3.3) 신경신호 기반 미적 선호 모형구축 444

3.4) 사회인지 및 정서행동 뇌신경 기전규명 및 조절기술 445

3.5) 문화맥락행동의 신경망 기전 규명 및 조절기술 개발 446

3.6) 고위인지기능의 뇌기전 규명 및 활용기술 개발 446

3.7) 직관지능의 이해 및 조절기술 개발 447

(4) 뇌원리 이해를 위한 방법론 및 모델개발 449

4.1) 중개/역중개를 위한 동물모델 제작 및 분석 연구 449

4.2) 영장류 대상 고등인지기능 연구 패러다임 구축 449

2) 생애주기별 맞춤형 건강뇌 실현 451

(1) 치매국가 책임제 451

1.1) 정신질환의 멀티모달 빅데이터 분석 451

1.2) 다중오믹스 기술 활용 정밀의료기술 개발 451

(2) 고발병성 뇌질환 453

2.1) 다중신경생리기술 등 활용 퇴행성 뇌질환 연구 453

2.2) 뇌질환 극복 방안 연구 454

(3) 희귀·난치성 뇌질환 연구 455

3.1) 뇌혈관, 뇌손상 질환, 미세먼지 관련 뇌질환 455

3) 4차 산업혁명 대응 창의적 뇌융합 연구 456

(1) 4차 산업혁명 핵심 기반기술 개발 456

1.1) 뇌기능 복원 및 증진기술 456

1.2) 인지의 전주기적 변화 양상규명 및 활용 457

1.3) 뇌신경망 모델링 및 차세대 AI 기술 457

1.4) 뉴로모픽 등 뇌모사 칩 기술 458

1.5) 인간-기계 양방향 뇌모사 칩 기술 459

(2) ICT 융합을 통한 신개념 치료법 460

2.1) 뇌질환 신약개발 플랫폼 구축 460

2.2) 뇌질환 및 뇌기능 조절기술 개발 460

2.3) 대뇌 네트워크 기반 정밀치료 기술개발 461