첸쉐썬의 "영계" 예언이 실현되었습니다! 상하이 교통대학교와 칭화대학교를 비롯한 여러 팀이 청소년의 뇌-신체-정신 건강을 개선하기 위해 세계 최초의 VR 스포츠 개입 시스템 REVERIE를 개발했습니다.

최근 청소년 비만 문제는 점점 심각해져 전 세계적인 공중보건 위기로 이어지고 있습니다. 1990년부터 2022년까지 전 세계 5세에서 19세 사이의 비만 아동 및 청소년 수가 약 3배 증가한 것으로 보고되었습니다. 과학적인 운동 방법을 통해 청소년들이 건강하게 체중을 감량하고, 더 밝은 얼굴을 가지며, 평생 운동 습관을 기르도록 돕는 것은 현재 전 세계 공중보건 분야에서 중요한 과제로 떠올랐습니다.

저는 현재 지아 웨이핑 원사 팀과 스포츠 과학, 임상 의학, 심리학, 뇌 과학 분야의 다학제 전문가 팀과 긴밀히 협력하여 미래의 지능적이고 정교한 건강 관리를 위한 "영적 영역" 시스템을 개발하고 있습니다. 인공지능과 가상 현실을 활용하여 오랫동안 과학계를 괴롭혀 온 어려운 문제들을 해결하고자 합니다.현실 세계의 신체 운동과 가상 세계(메타버스) VR 운동은 인간의 신체적, 정신적 건강에 어떤 영향을 미칠까요?". 이는 상하이 교통대학교 성빈 교수가 2022년 3월 The Paper와의 단독 인터뷰에서 외부에 공개한 연구 결과입니다. 3년 후, 이 결과는 Nature Medicine에 게재되었습니다. 하지만 수년에 걸친 이 연구의 이면에는 35년간의 기억과 꿈이 깃들어 있습니다.

2025년 6월 23일, 상하이 교통대학교 의학부/활동 건강 전략 및 개발 연구소 산하 상하이 제6인민병원의 리화팅 교수 팀, 상하이 교통대학교 컴퓨터과학기술학원/교육부 인공지능 중점연구실의 성빈 교수 팀은 상하이 체육대학교의 왕지홍 연구원 팀, 상하이 과학기술대학교/상하이 임상연구센터의 쩡롱 교수 팀, 싱가포르 국립대학교의 린 슈이더 교수 팀과 공동으로 의학 및 공학 협력 연구를 통해 Nature Medicine에 "과체중 청소년을 위한 적응형 AI 기반 가상 현실 스포츠 시스템: 무작위 대조 시험"이라는 제목의 연구 논문을 발표했습니다.

연구팀은 과체중 또는 비만 청소년의 체중 조절을 위해 세계 최초의 가상현실(VR) 지능형 운동 개입 시스템인 REVERIE(Real-world Exercise and VR-based Exercise Research In Education)를 개발했습니다.이 시스템은 심층 강화 학습과 트랜스포머 아키텍처를 기반으로 하는 가상 코치 트윈 에이전트를 혁신적으로 활용하며, 반복적인 사용자 상호작용을 통해 최적화됩니다. 안전하고 몰입도 높으며 공감적이고 효과적인 스포츠 안내를 제공할 수 있으며, 생체역학적 성능과 운동 심박수 반응은 실제 동일 유형의 스포츠와 크게 다르지 않습니다.

연구팀은 과체중 및 비만 청소년을 대상으로 세계 최초로 가상 현실 운동 중재에 대한 무작위 대조 시험(RCT)을 완료했습니다. 이 연구는 다차원 평가 시스템을 혁신적으로 도입하고, 기존 대조군 설계에 기반한 동일 강도의 실제 운동 대조군을 추가했습니다.과체중 및 비만 청소년의 신체, 정신, 뇌 건강에 대한 VR 운동 개입의 복합적 효과를 체계적으로 분석했습니다.이 연구는 대사 지표뿐만 아니라 신체적 건강, 정신 건강, 운동 의지와 같은 차원을 포함하고 있으며, 청소년의 인지 기능에 대한 개입 조치의 잠재적 영향을 정확하게 평가합니다(그림 1).

기술 아키텍처 및 연구 결과

청소년 비만 문제는 지속적으로 악화되고 있으며, 이는 대사 질환 위험을 크게 증가시킬 뿐만 아니라 지속적인 인지 기능 저하를 초래할 수 있습니다. 운동 중재가 가장 효과적인 방법임에도 불구하고, 청소년들은 낮은 운동 의지, 사회적 장벽, 전문적인 지도 부족 등 실질적인 어려움에 직면합니다. 더욱 집중적이고 인도적인 운동 중재 시스템 구축이 시급합니다.

1990년대 초, 첸쉐센(Qian Xuesen) 씨는 가상현실(VR)을 "영적 영역"으로 기발하게 해석하며 이 기술이 "인간 뇌의 인식을 크게 확장하여 사람들이 전례 없는 신세계로 진입할 수 있게 하고 새로운 역사적 시대가 곧 시작될 것"이라고 예측했습니다. 이는 1960년대 "컴퓨터 그래픽의 아버지" 이반 서덜랜드(Ivan Sutherland)가 제안한 "궁극의 디스플레이" 개념을 반영합니다. VR 기술은 초기에 의료 분야에서 성과를 보였고 중재적 잠재력도 보여주었지만, 개인 맞춤형 피드백과 고품질 검증 연구가 부족하여 적용에 한계가 있습니다.

이를 바탕으로 연구팀은 청소년을 위해 특별히 설계된 세계 최초의 가상현실 스포츠 시스템인 REVERIE를 개발했습니다. 이 시스템은 몰입형 경험과 지능형 코칭을 결합한 것입니다.실시간 피드백과 결합된 템플릿 기반 심층 강화 학습 전략을 채택하여 개인화된 동적 안내를 제공합니다.

첫 번째 단계,해당 팀은 고정밀 모션 캡처 기술을 사용했습니다.탁구와 축구를 가르치는 과정에서 전문 코치들의 활동을 체계적으로 수집하여, 전문가 코치 템플릿을 패러다임 벤치마크로 구축하였다.

2단계:전문 코칭 템플릿을 타겟 행동 모델로 사용하여,Transformer 아키텍처와 심층 강화 학습 기술을 결합하여 자율적인 교육 기능을 갖춘 가상 코치 에이전트를 훈련시킵니다.

3단계.배포 및 운영 후, 시스템은 가상 코치 에이전트와 청소년 사용자 간의 상호작용 데이터를 지속적으로 수집합니다.청소년을 위한 맞춤형 스포츠 개입을 달성하기 위해 가상 코칭 에이전트를 위한 지속적인 강화 학습 및 전략 미세 조정을 수행합니다. 연구 결과는 REVERIE 시스템이 동일 종목의 실제 스포츠 활동과 유사한 생체역학적 수행 능력 및 운동 심박수 반응을 보이며 안전하고 효과적이며 몰입적이고 공감적인 스포츠 코칭을 제공할 수 있음을 보여주었습니다(그림 2).

무작위 대조 임상 연구에서총 227명의 과체중 또는 비만 청소년이 포함되었습니다.피험자들은 대조군, 실제 탁구군, 실제 축구군, VR 탁구군, VR 축구군으로 무작위 배정되었습니다. 대조군은 기존 생활 습관과 운동 습관을 유지했고, 운동군은 기존 학교 체육 수업 내용을 바탕으로 주당 3회 운동 중재 과정을 추가했습니다. 실제 운동군과 가상 운동군은 심박수를 실시간으로 모니터링하는 암밴드를 통해 동일한 강도 범위에서 운동 강도를 조절했으며, 두 군의 기술 훈련 내용은 일관되게 유지되었습니다. 모든 피험자는 연구 기간 동안 동일한 식단 관리를 받았으며, 중재는 8주 동안 지속되었습니다.

결과는 다음과 같습니다VR 운동은 지방 감량, 신진대사 개선 측면에서 실제 운동과 유사하며, 운동 능력, 정신 건강, 운동 의지 유지 측면에서 장점이 있습니다.특히 인지 기능 측면에서 VR 운동 그룹은 지각과 작업 기억의 정확성이 향상되었습니다. 뇌 기능 영상 분석 결과, VR 운동은 더욱 복잡하고 계층적이며 재구성적인 뇌 네트워크 활동을 유발하여 주요 신경망 간의 상호작용을 역동적으로 조절하고 신경 효율성과 가소성을 향상시켰습니다(그림 3 a, b).

과체중 및 비만 청소년에 대한 VR 및 실제 운동 중재의 가능한 기전을 더욱 심층적으로 탐구하기 위해 연구팀은 다중 오믹스 통합 분석을 사용하여 VR 운동 후 장내 미생물군집, 대사체, 지질체의 특성이 유의미하게 변화하는 반면, 단백질체의 유의미한 변화는 실제 운동 중재 후에 주로 관찰됨을 확인했습니다. 다중 오믹스 특성 차이와 관련된 뇌 영역은 특히 전두엽, 측두엽, 그리고 쐐기앞소엽에 집중되어 있었으며, 인지 행동 지표와 밀접한 관련이 있었습니다(그림 3c). VR 운동 후 인지 기능이 향상되는 메커니즘에는 두 가지 경로가 포함될 수 있습니다.첫째, 장내 미생물-뇌 축을 통해 인지 기능에 영향을 미칩니다. 둘째, 단백질과 대사산물 간의 상호작용이 인지 기능에 영향을 미칩니다.

연구의 의의와 미래 전망

본 연구에서는 심층 강화 학습을 기반으로 한 세계 최초의 가상현실 스포츠 개입 시스템인 REVERIE를 구축했습니다.Transformer 아키텍처와 강화 학습을 결합한 최초의 가상 코치 에이전트입니다.디지털 스포츠 개입의 새로운 형태를 개척했습니다.과체중 및 비만 청소년을 대상으로 한 세계 최초의 VR 운동 RCT를 완료했습니다.가상 현실 운동 요법을 위한 높은 수준의 증거 기반 의학을 제공합니다. 과제-상태 기능적 자기 공명 영상 기술과 다중 오믹스 분석을 혁신적으로 통합하여 VR 운동이 인지 기능을 개선하는 신경적 및 분자적 메커니즘을 밝혀냈습니다.

REVERIE 시스템은 청소년 비만 개입을 위한 새로운 "생리적-심리적-인지적" 삼위일체 디지털 솔루션을 제공할 뿐만 아니라,또한 이 논문은 의료 분야에서 가상현실 기술을 심층적으로 적용할 수 있는 이론적 기반을 제공합니다. 비만 개입 전략에 대한 혁신적인 기술적 경로를 제공할 뿐만 아니라, 인공 지능을 통해 가능한 정밀한 건강 관리를 위한 실용적 패러다임을 제공합니다.

REVERIE 시스템은 과체중 및 비만 청소년의 체중 감량과 운동 기술 습득을 돕습니다.지속적인 움직임을 위한 기초를 마련하고, 신경 효율성과 신경 가소성을 향상시키고, 기억력, 주의력, 정신적 민첩성을 크게 향상시키고, 적극적으로 움직이려는 의지를 확립합니다.청소년들이 '수동적 참여'에서 '적극적 선택'으로 전환할 수 있도록 돕습니다.기술 습득, 인지 향상, 그리고 의지 형성이 닫힌 고리를 형성할 때, 운동이 일상생활에 통합되어 지속 가능한 운동 습관을 형성할 수 있기를 기대합니다. 이를 통해 젊은이들은 운동을 통해 건강한 신체, 민첩한 정신, 그리고 긍정적인 태도를 갖게 되며, 비만 문제를 근본적으로 해결하고 건강한 성장의 토대를 마련할 수 있을 것입니다.

Nature Medicine은 또한 "소아 비만 문제를 해결하기 위한 가상 현실 스포츠"라는 제목의 논평을 게재하며, "REVERIE는 미래 연구의 토대를 마련하고 가상 현실 스포츠를 과체중 청소년의 건강을 개선하고 증진하는 혁신적이고 효과적이며 안전한 전략으로 활용하는 것을 뒷받침하는 획기적인 연구"라고 밝혔습니다.

이 연구의 공동 책임 저자인 상하이 교통대학의 성빈은 가상현실이란 본질적으로 "통 속의 뇌"라는 철학적 가정 하에 세계의 기원에 대한 인간 인지를 탐구하는 것이라고 생각합니다.REVERIE 연구는 이런 가정을 깨뜨렸습니다. VR은 더 이상 폐쇄적인 지각 시뮬레이션 실험이 아니라 디지털 모드에서 인간의 생리적 신경계에 대한 교향곡적 공명 개입과 더 비슷합니다.VR이 신체와 정신에 미치는 영향은 생리학, 생화학, 그리고 뇌 과학의 다차원적 지도를 보여줍니다. 이는 단순한 기술적 반복이 아니라 인지 패러다임의 도약이기도 합니다. VR이 시각, 촉각, 심지어 전정계의 조화로운 자극을 통해 지각 매트릭스를 재구성할 때, 우리는 이를 미래의 관점에서 바라볼 필요가 있습니다. 청소년기 신경가소성의 정점에 도달하는 시기에 VR 개입의 지속 시간 역치와 빈도 리듬은 향후 연구를 통해 여전히 해석되어야 합니다. "현재의 탐구는 이러한 측면에서 인간 탐구의 시작이자 첫걸음일 뿐입니다." 지속적인 미래 연구만이 디지털 지능 시대에 인간의 신체적, 정신적 건강을 위한 새로운 좌표 체계를 진정으로 제시할 수 있습니다.

저자 소개

본 논문의 공동 책임 저자는 상하이 교통대학 의학부 산하 제6인민병원 활동 건강 전략 및 개발 연구소의 리화팅 교수, 상하이 교통대학 컴퓨터과학기술학원 교육부 인공지능 중점연구실의 성빈 교수, 싱가포르 국립대학의 린슈이더 교수, 상하이기술대학/상하이 임상연구센터의 쩡롱 교수입니다.

본 논문의 공동 제1저자로는 상하이 체육대학 연구원인 Wang Jihong, 칭화대 의과대학 박사후 연구원 Qin Yiming, 상하이 교통대학 의과대학 부속 제6인민병원 박사과정 Wu Qian(지도교수: Li Huating 교수), 칭화대 의과대학 박사후 연구원 Zeng Dian, 상하이기술대학/상하이 임상연구센터의 Gao Xiaojing 박사, 상하이 교통대학 의과대학 부속 제6인민병원 박사과정 Wang Qinyi(지도교수: Li Huating 교수), 상하이 체육대학 준교수 Li Zhen, 상하이 교통대학 의과대학 부속 제6인민병원 연구원 Ni Yueqiong, 상하이 교통대학 박사과정 Li Haoxuan(지도교수: Sheng Bin 교수), 오하이오 주립대학 교수 Zhang Ping, Guo가 있습니다. 징이, 상하이 교통대학 의과대학 부속 제6인민병원 조수 연구원.

또한, 이 연구는 상하이 교통대학 의과대학 부속 제6인민병원의 지아 웨이핑 교수, 황톈인 교수와 그의 팀, 하버드 T.H. 찬 공중보건대학원의 펠리페 프레그니 교수, 국가단백질과학연구소(상하이) 소장 우지아루이 교수, 중국과학원 소프트웨어 연구소 우은화 교수, 칭화대학 마신둥 교수, 홍콩대학 쉬아이민 교수, 원저우 의과대학 황지펑 교수, 시드니대학 김진만 교수, 상하이 체육대학 황샤오쥔 조수 연구원, 상하이 교통대학 중개의학 연구소 비레이 부교수, 상하이과기대 생체의학공학원의 션딩강 교수와 그의 팀, 바오산구 교육국, 상하이 여자 축구팀, 중국탁구학원 및 기타 여러 학제 전문가와 연구팀의 지원을 받았습니다. 본 연구는 국가보건위원회의 교육정보화 교육응용실무커뮤니티사업과 국가과학기술혁신 2030-국가과학기술중점사업의 지원을 받아 수행되었습니다.