[태그:] 웨어러블기기

매사추세츠 공과대학(MIT) 연구팀이 손목시계 형태의 의료 모니터링 장치 '서크트렉(CircTrek)'을 개발해 선보였다. 이 장치를 한 마디로 요약하자면 ‘웨어러블 혈액 검사 기기’라 할 수 있다. 혈관 내부의 단일 세포까지 감지할 수 있을 만큼 정밀·민감하면서도 손목에 착용할 수 있을 만큼 작은 크기의 비침습적 의료기기다. 

이 웨어러블 장치의 중요한 특징 중 하나는 '인체 내 순환 세포를 지속적으로 모니터링할 수 있다'는 것이다. 웨어러블 혈액 검사 기기라고 표현한 것은, 혈액 채취 없이 비침습적으로 혈류 속 혈액 상태를 평가할 수 있기 때문이다. 이 기술은 <네이처(Nature)>의 파트너 저널 중 하나인 <NPJ 바이오센싱(NPJ Biosensing)> 에 게재됐다.

 

실시간 웨어러블 혈액 검사 기기

'서크트렉(CircTrek)'은 MIT 미디어랩 조교수인 데블리나 사르카르 박사 연구팀이 개발했다. 사르카르 박사는 AT&T 경력 개발 의장이자 나노-사이버네틱 바이오트렉 연구 그룹을 이끌고 있다. CircTrek은 질병의 조기 진단, 질병 재발 감지, 감염 위험 평가, 질병 치료의 효과 여부 판단 등 여러 의료 과정에 큰 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다.

연구팀의 설명에 따르면, 기존의 혈액 검사는 환자 상태를 '스냅샷'처럼 보여준다는 한계가 있다. 즉, 검사를 실시한 그 순간의 정보만을 보여준다는 뜻이다. 이에 비해 CircTrek은 웨어러블 혈액 검사 기기로서 착용자의 상태를 실시간으로 계속 확인할 수 있도록 하는 데 초점을 두었다. 

연구팀은 제출한 논문을 통해 "이전까지는 해결되지 않았던 중요한 과제"라고 언급했다. 기존의 기술 중 비교할 만한 것으로는 '유세포 분석법(Flow Cytometry)'이 있다. 이는 개별 세포를 빠르게 분석하는 기술로, 이를 활용하면 혈류 내 세포의 연속적 모니터링이 어느 정도 가능하다. 

하지만 연구팀 소속의 박사 과정생 장규호 연구원의 설명에 따르면, 유세포 분석을 위해서는 연구실 규모의 장비가 필요하다. 또한, 대상자로부터 혈액 샘플을 얻어서 측정하는 방식이므로, 대상자가 현장에 있는 동안만 모니터링이 가능하다는 한계가 있다. 

CircTrek은 '온보드 Wi-Fi 모듈'을 장착해 이 문제를 해결했다. 즉, 와이파이에 연결할 수 있는 환경이라면 환자는 어디서든 혈류 순환 세포를 모니터링할 수 있고, 해당 정보를 담당 의사나 치료팀에 전송할 수도 있다. 

지속적인 모니터링이 가능하기 때문에 실시간으로 데이터를 얻을 수 있으며, 휴대성을 기반으로 언제 어디서든 빠르게 공유할 수 있다는 것이 CircTrek의 가장 두드러지는 장점이다. 이를 바탕으로 중요한 시기에 곧바로 임상적 결정을 내릴 수 있다는 것이 사르카르 박사의 말이다.

 

치료 반응 및 진단 평가 개선 기대

웨어러블 혈액 검사 기기로 작동하기 위해 CircTrek은 특별하게 설계된 레이저 빛을 활용한다. 피부 아래 형광 물질로 표시된 특정 세포에 레이저 빔을 집중해서 쬐면, 해당 세포들이 빛을 내는 원리를 활용한다. 

세포에 형광 표시를 하는 방법은 두 가지로 나뉜다. 하나는 항체 단백질에 형광 염료를 붙여 세포에 적용하는 방법이고, 다른 하나는 세포가 스스로 빛을 내도록 유전자를 변형하는 것이다. 

예를 들어, 항암 치료 방법 중 하나인 CAR-T세포 치료를 받는 경우, 해당 세포에 형광 염료를 붙이거나 유전자 변형을 적용함으로써 세포가 형광 단백질을 발현하도록 할 수 있다는 설명이다. 연구팀은 이밖에도 여러 방법으로 세포의 형광 표지가 가능할 것으로 보고 있다.

CircTrek을 활용하면, 형광 표지된 CAR-T세포를 검출함으로써 세포 치료의 효과를 평가할 수 있다. 예를 들어, 치료 후 혈액 내 CAR-T세포가 지속적으로 발견된다면, 환자의 치료 반응이 좋다고 평가할 수 있는 식이다. 

물론, 실제 정확한 예후 판단을 위해서는 다른 임상 요소까지 종합적으로 살펴봐야 한다. 하지만 CircTrek을 통해 실시간 모니터링 정보를 수집할 수 있다면, 진단 및 평가에 있어 중요한 데이터를 보다 빠르게 확인할 수 있다는 점에서 잠재력은 충분하다고 할 수 있다.

 

피부 안전성 검증 완료, 상용화 추진

장규호 연구원의 설명에 따르면, 부품 최적화 과정을 거듭해 노이즈를 크게 줄였으며, 최종적으로 형광 세포가 보내는 신호만 포착할 수 있도록 하는 데 성공했다. CircTrek에서 형광 신호를 감지하는 센서 역시 매우 작은 크기지만, '단일 광자'에 해당하는 정도의 빛도 감지할 수 있을 만큼 센서 감도가 높다는 설명이다.

레이저 드라이버와 노이즈 필터를 포함한 CircTrek의 서브서킷은 42mm x 35mm 크기의 회로 기판에 맞춰 설계됐다. 이를 통해 CircTrek은 최종적으로 스마트워치와 거의 비슷한 크기로 완성됐다.

피부 아래 혈류를 감지하는 것의 안전성에 대한 테스트도 마쳤다. CircTrek을 사용하면 피부 표면의 온도가 약 1.51℃ 가량 상승하는 것으로 나타나, 피부에 별다른 영향을 주지 않는 것으로 확인됐다.

물론, CircTrek을 상용화하기까지는 추가적으로 거쳐야 할 절차가 많다. 하지만 장규호 연구원은 "매개변수를 수정함으로써 잠재력을 확대할 수 있다"라고 이야기하며, "CirkTrek을 일상적으로 활용할 수 있게 되면, 임상 의료진들이 환자에 대한 중요한 정보를 정확하고 빠르게 얻을 수 있을 것"이라고 덧붙였다.

 

지난 12월, 스위스의 한 연구팀이 ‘웨어러블 센서’의 현황을 주제로 한 메타 연구 결과를 발표한 바 있다. 당시 연구팀은 ‘땀과 호흡 속 분자 구조까지 생화학적으로 분석할 수 있는 초정밀 웨어러블 기기가 등장할 것’이라는 예상을 내놓은 바 있다. 

미국 노스웨스턴 대학에서 최근 이에 부합하는 결과물을 발표했다. 피부에서 방출되고 흡수되는 물질을 기체 단위에서 측정할 수 있는 초정밀 웨어러블 기기다.

 

초정밀 웨어러블 기기의 발전

최근 국내 연구팀에서도 웨어러블 기술을 응용한 성과를 내놓은 바 있다. 대표적인 예가 최근 성균관대학교에서 내놓은 ‘광학 바이오센서 패치’다. 매우 미세한 양의 땀과 분비물을 정밀하게 감지할 수 있는 생체 부착 센서 기술이다.

한편, 지난 1월 DGIST에서도 심혈관 건강 상태를 측정하면서 필요에 따라 약물 투여까지 바로 가능한 초정밀 웨어러블 기기를 선보인 바 있다. 웨어러블 기기의 발전이 어디까지 가능할 것인지, 기존의 인식 한계를 뛰어넘는 결과들이 속속 등장하고 있는 것이다.

이번 노스웨스턴 대학 연구팀이 개발한 웨어러블 기기의 경우도 이와 비슷한 맥락이라 할 수 있다. 이 기기는 여러 가지 데이터를 측정할 수 있는 정밀 센서를 탑재하고 있으며, 온도 변화와 수증기, 이산화탄소를 비롯해 피부에서 방출될 수 있는 휘발성 유기 화합물(VOC)의 변화까지 측정할 수 있다. 이를 통해 피부 상태 평가는 물론 피부에 영향을 미치는 전반적인 건강 상태까지 확인할 수 있다는 것이 연구팀의 설명이다.

기본적인 원리는 피부에서 방출되는 기체 상태의 물질들이 기기 내부의 공간으로 유입되고, 각 센서들이 기체에 포함된 분자 정보를 분석하는 것이다. 이때 방출된 기체들이 피부 표면에 머무르면 좋지 않을 것이므로, 기체는 기기 내부로 수집돼 머무르도록 비접촉식으로 설계됐다.

 

땀 나지 않아도 기체로 분석

연구팀에 따르면 이 장치는 기존에 자신들이 개발했던 ‘땀 수집 분석 웨어러블 기기’를 기반으로 더욱 발전시킨 모델이다. 그동안 땀을 분석해 착용자의 전반적인 건강 상태를 분석해왔지만, 몇 가지 문제가 있었다. 

가장 두드러지는 문제는 착용자가 ‘땀이 나지 않는 환경’에 있을 때 측정이 불가능하다는 것이었고, 또 다른 문제는 기기를 착용함으로써 땀샘에 미세한 자극이 발생한다는 것이다. 이 두 가지 문제를 해결하기 위해 고민을 거듭했고, 그 결과 이번에 선보인 기기가 탄생하게 됐다는 설명이다.

이는 앞서 소개한 성균관대학교의 연구 결과와 비슷하면서도 다르다. 성균관대학교의 광학 바이오 센서 패치는 ‘극미량의 땀을 감지할 수 있는 방식’에 초점을 맞췄다. 이에 비해 노스웨스턴 대학교의 초정밀 웨어러블 기기는 ‘땀을 비롯해 기체화된 물질을 감지하는 방식’으로 개발됐다.

연구팀은 특히 피부에 직접 접촉하지 않는다는 특성의 장점을 강조했다. 예를 들어, 상처나 궤양이 발생한 부위의 피부 상태를 안전하게 평가할 수 있다는 것이다. 피부 질환을 앓고 있는 환자에게도 자극을 주지 않고 정확한 진단이 가능하다는 뜻이다.

 

피부 장벽 건강상태 셀프 관리 가능

피부 바깥에 위치한 소위 ‘피부 장벽’은 단백질과 지질이 촘촘하게 엮인 구조로 돼 있으며, 외부로부터 신체를 보호하는 최전선과 같다. 과도한 수분 손실이 발생하지 않도록 조절해주고, 자외선 등 외부 자극으로부터 1차적으로 보호해주며, 그 외 각종 자극적인 물질이나 병원체의 침투를 막아주는 역할도 한다.

즉, 연구팀은 피부에서 발생하는 수증기 및 각종 기체의 변화를 추적하면, 피부 장벽의 손상 여부를 비롯한 전반적인 건강 상태를 파악할 수 있다고 설명했다. 연구팀은 이러한 분석 자체는 현재 기술력으로 충분히 가능한 일이지만, 고가의 정밀한 기기를 대신할 수 있다는 점이 이번에 개발한 초정밀 웨어러블 기기가 갖는 가장 큰 의의라고도 이야기했다. 

연구팀은 또한 이 기기가 상용화될 경우, 개인이 좀 더 손쉽게 스스로의 피부 건강을 관리할 수 있을 것이며, 전문적인 의료 진단에서 활용할 수 있는 유의미한 데이터를 제공할 수 있을 것으로 내다보고 있다.

노스웨스턴 대학이 개발한 초정밀 웨어러블 기기는 ‘표피 분자 플럭스 모니터링을 위한 비접촉 웨어러블 장치(A Non-contact Wearable Device for Monitoring Epidermal Molecular Flux)’라는 제목으로 <네이처(Nature)> 저널에 게재됐다.

 

성균관대학교(총장 유지범) 연구팀이 흘리는 땀이 적어도 그로부터 생체 데이터를 수집할 수 있는 광학 바이오센서 패치를 개발했다.

 

아주 적은 양의 땀과 분비물 분석

성균관대학교 화학공학부 방창현 교수와 조수연 교수는 공동 연구팀을 꾸려 광학 기반의 점착 바이오센서 패치를 개발했다. 이 패치는 개구리와 같은 양서류의 발바닥을 본떠 부드럽고 가볍게 만들고자 했으며, 흘리는 땀이 적어도 원격에서 실시간으로 정밀 감지할 수 있는 기술을 구현했다.

나노소재를 이용한 생체부착 방식의 센서 기술은 다양한 질환의 실시간 조기 진단을 위해 가장 유망한 기술로 주목받아 왔다. 하지만 생체표면에서 생기는 미세한 유체(Fluid)를 빠르게 잡아 모으는 것, 그리고 매우 미미한 양의 체액을 분석하는 것에 어려움이 있었다. 

생물체에서 분비되는 유체는 기본적으로 매우 적은 양인 경우가 많다. 게다가 규칙적으로 분비되는 것도 아니다. 예를 들자면 정적인 상태에서는 땀을 거의 흘리지 않거나 흘리는 땀이 적을 수 있다. 혹은 체내에서 이루어지는 각종 대사 반응으로 인한 분비물도 매우 적고 불규칙하다. 

연구팀의 설명에 따르면 기존의 센서 시스템들로는 이러한 ‘초소량 유체(micro-scale fluid)’를 수집하고 실시간으로 다변량 분석하는 것이 불가능했다. 보통은 운동과 같이 다량의 체액이 분비되는 환경을 필요로 하거나, 이온 영동(Ion Electrophoresis)과 같은 강제적 체액 유도 과정 혹은 복잡한 다층 구조 및 부피·크기가 큰 장비가 필요했다. 

 

개구리 발바닥을 본뜬 바이오센서 패치

공동 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해, 양서류 발바닥의 육각형 점착 구조와 미세 배수 기능에서 아이디어를 얻었다. 습도가 높고 울퉁불퉁 불규칙한 피부 표면에도 안정적으로 부착되며, 흘리는 땀이 적어도 정밀하게 감지해낼 수 있는 부드럽고 가벼운 ‘생체모사 바이오센서 패치’를 개발한 것이다. 

패치에는 개구리 발바닥의 미세한 육각 구조와 채널을 적용했다. 이를 통해 체액을 신속히 배출하고 굴곡진 생체 표면에 긴밀한 접착력을 높였다. 채널 내부에는 수분 흡수가 뛰어난 하이드로젤과 생체 투과성을 가진 근적외선* 대역의 발광 ‘단일벽 탄소나노튜브’* 센서를 결합해 극미량의 유체도 효과적으로 흡수하고 감지할 수 있도록 했다. 

또한, 육각 구조 표면을 부드러운 재료들을 이중층으로 구성해, 땀이 많거나 움직임이 큰 피부 부위에서도 패치가 안정적으로 부착돼 있도록 하고 센서가 정상적으로 작동할 수 있도록 설계했다. 흘리는 땀이 적어도, 많아도 상관 없이 원활하게 분석할 수 있도록 안배한 것이다.

* 근적외선 : 적외선 영역의 전자파 중 파장이 짧은 0.7~1.5μm 정도의 파장 영역. * 단일벽 탄소나노튜브 : 탄소 원자 한 층의 튜브로 이루어진 반도체성 나노  소재.

 

초소형 정밀 생체 모니터링 기반 기술

연구팀이 개발한 점착 패치는 부드럽고 가벼운 생체부착형 광학 센서 패치다. 전체적으로 부드럽고 유연한 소재를 적용하여 운동이나 외부 자극이 없이도, 최소 75 nL(나노리터) 수준의 아주 적은 양의 땀을 45초 내에 실시간 감지할 수 있는 것으로 확인됐다. 

또는, 피부에서 분비되는 극미량의 체액으로부터 비타민이나 스트레스 지표 같은 다양한 분자를 동시 다발적으로 감지할 수 있는 고정밀 분석도 가능한 것을 확인했다. 

공동연구팀을 이끈 조수연 교수와 방창현 교수는 “이번에 개발한 부드럽고 가벼운 생체모사 기반의 광학 탄소나노튜브 기반 바이오센서 패치 기술은 극미량 체액을 안정적으로 유도하고 감지할 수 있을 뿐 아니라 습기나 곡면, 움직임이 많은 실제 생체 환경에서도 안정적인 부착과 작동이 가능하다는 장점이 있다”라고 이야기했다. 

또한, 두 교수는 “향후 다양한 광학 센서와 결합해 초소형 정밀 생체 신호 모니터링 기술로 발전할 수 있으며, 웨어러블 헬스케어, 미시 생명현상 분석, 정밀 의료 분야까지 확장 가능할 것으로 기대한다”고 밝혔다.

이번 공동 연구 성과는 과학기술정보통신부가 추진하는 한국연구재단 기초연구실 사업 및 개인기초연구(중견연구), 우수신진연구사업, 국가과학기술연구회가 추진하는 융합연구단사업, 보건복지부 혁신성장피부건강기반기술개발사업의 지원을 받아 진행되었다. 이번 연구성과는 국제 학술지 <네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF: 14.7)>에 지난 5일(토) 온라인 게재됐다.

 

실시간으로 생체 신호를 모니터링하면서 약물을 전달할 수 있는 ‘스마트 패치’가 개발됐다. 디지스트(DGIST) 로봇 및 기계전자공학과 장경인 교수팀은 접이식 구조로 다양한 센서와 약물 전달 시스템을 통합한 정밀 패치를 선보였다. 이번 연구 결과는 국제 학술지 「네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)」에 이번 달 게재됐다.

 

웨어러블 기기와 맞춤형 헬스케어

현재 의료계의 중요한 화두 중 하나는 ‘개인 맞춤형 헬스케어’다. 기존의 건강 상태, 유전적 요인 등에 따른 체질, 평상시 생활 습관 등을 고려해 맞춤형 솔루션을 제공하는 접근 방식으로, 기존의 일률적인 치료 방식과는 근본적 차별성을 가진다. 

개인은 수많은 변수에 의해 천차만별의 양상을 보인다. 이 때문에 같은 질환을 앓고 있다 해도 유전적 배경, 생활 환경, 식습관 등에 따라 치료 반응이 다르게 나타날 수 있고, 회복에 걸리는 시간도 다를 수 있다. 이러한 환경에서 국민들의 건강을 개선하기 위해서는 개인의 특성을 고려한 맞춤형 헬스케어가 필수다.

웨어러블 기기는 이러한 수요에 가장 적합한 기술이라 할 수 있다. 개인의 신체에 간단하게 착용하고 다니면서, 실시간으로 생체 지표를 확인할 수 있기 때문이다. 그동안 다방면의 기술 발전을 통해 웨어러블 기기를 의료적으로 활용할 수 있는 가능성이 크게 확장됐다.

 

접이식 구조로 여러 기능 통합

DGIST 장경인 교수 연구팀은 기존까지 선보인 웨어러블 의료기기들은 ‘생체 신호 감지’에 특화돼 있거나, 약물 전달에 특화돼 있는 등 하나의 기능에만 집중하는 경향이 있었다는 점에 주목했다. 

웨어러블 기기는 기본적으로 휴대성이 중요하기 때문에 부피와 질량이 매우 제한적이다. 또한, 피부와 밀착돼야 하기 때문에 얇으면서도 유연해야 한다. 그러면서도 안정적인 구조를 유지해야 한다. 

반면, 정밀한 시스템 기능을 구현하기 위해서는 일반적으로 견고하고 부피가 큰 기능성 부품들이 필요하다. 즉, 물리적으로 보면 ‘얇고 유연한 구조 안에 고성능의 부품들을 배치해야 하는’ 모순적 상황인 것이다. 따라서 웨어러블 기기를 활용한 다기능 통합 구현은 기술적으로 어려움이 컸다.

DGIST 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위한 방법으로 ‘접이식(접힘) 구조’를 선택했다. 유연함이 필요한 영역과 견고함이 필요한 영역을 분리하는 방식으로 접근한 것이다. 전기·광학 센서, 약물 전달 시스템, 무선 통신 모듈을 접이식으로 설계함으로써, 이들을 하나의 스마트 패치 안에 집어넣었다. 이로써 고도의 기능 여러 가지를 제공하는 웨어러블 기기를 구현했다.

연구팀이 개발한 스마트 패치는 심혈관 건강 상태를 실시간으로 확인하면서, 필요할 때 즉각 약물을 투여할 수 있도록 설계됐다. 성능 검증을 진행한 결과, 심전도와 혈류량을 실시간으로 모니터링하며 심박수 변화와 맥파 전달 시간을 정확도 높게 분석해냈다. 또한, 수집한 데이터를 바탕으로 자동 약물 투여까지 해낼 수 있는 것을 확인했다.

 

다양한 의료 분야에 응용 가능

한편, 이 기술은 심혈관 건강 외에도 다양한 방식으로 응용할 수 있다. 혈압 관리, 혈당 관리, 통증 완화, 만성질환 등 의료 분야에서 폭넓게 활용할 수 있는 잠재력을 가지고 있다는 것이 연구팀의 설명이다. 

다만, 각 세부 분야에 대한 실용화를 위해서는 해당 분야 및 관련 분야와의 추가적인 연계 연구가 필요할 것으로 보인다. 개인 맞춤형 헬스케어가 주요 트렌드로 대두되고 있긴 하지만, 현재로서는 보편화돼 있다고 볼 수는 없기 때문이다. 

특히 생체 신호 데이터의 정확성을 높이는 기술이 중요하다. 연구팀은 인공지능 기반의 진단 알고리즘을 개발하고, 다양한 증상 및 만성질환에 대응할 수 있도록 고도화된 센서 기술이 필요하다고 전했다. 또한, 상용화를 위해서는 대량 생산을 위한 제조 공정의 최적화가 필요하다. 안전성 등을 검증하기 위한 임상연구도 마찬가지다.

연구팀은 이번에 개발한 스마트 패치가 특정 목적에 국한되지 않으며, 생체 신호 측정 및 약물 전달을 동시에 해낼 수 있는 ‘플랫폼’이라는 입장을 전했다. 웨어러블 기기 특유의 유연성과 고도의 기능성을 동시에 추구함으로써, 향후 정밀 의료 및 원격 의료에 있어 새로운 가능성을 제시할 것으로 기대하고 있다.

카이스트 연구팀과 미국 미시간 대학 연구팀이 공동으로 ‘스마트 워치’를 활용해 우울증 관련 증상을 예측하는 기술을 개발했다. 스마트 워치로 수집할 수 있는 활동량 데이터 및 심박수 데이터 등을 분석해 증상 발생 위험을 예측하는 방식이다.

약 10억 명. 전 세계적으로 크고 작은 정신질환을 앓는 인구 수다. 2023년 기준으로 집계된 세계 인구는 약 80억 명 수준이니, 대략 7~8명 중 1명이 어떤 형태로든 정신건강 문제를 겪고 있다는 의미다. 

우리나라도 예외가 아니다. 2023년 기준 우울증 환자 약 104만 명, 불안장애 환자 약 88만 명이다. 건강보험심사평가원에서 ‘정신 및 행동장애’로 집계한 수는 약 410만 명이다. 강박증이나 조현병, PTSD와 같은 다양한 질환을 합하면 우리나라 역시 간과할 만한 상황은 아니다.

 

‘생체리듬 측정’의 어려움

세계보건기구(WHO)에 따르면 정신질환 치료에서는 뇌 시상하부가 조절하는 생체시계(circadian clock), 즉 ‘생체리듬’과 와 수면 주기(sleep stage)에 중점을 두어야 한다. 뇌 시상하부는 충동성, 감정적 반응, 의사 결정 및 전반적인 기분 등에 직접적으로 영향을 주는 영역이기 때문이다. 

생체리듬이라는 용어는 그리 낯설지 않다. 흔히 바이오리듬(biorhythm), 일주기 리듬(circadian rhythm)이라 하기도 한다. 생물체의 생리적, 신경적, 호르몬적 과정이 특정 주기(보통 24시간)에 맞춰 변화하는 것을 의미한다. 

개념 자체는 익숙하지만, 실제로 생체리듬을 명확하게 측정하는 것은 꽤 까다로운 절차를 필요로 한다. 정석대로 한다면 하룻밤 동안 30분 간격으로 혈액 샘플을 채취해 ‘멜라토닌(melatonin)’ 호르몬의 농도가 어떻게 변화하는지를 측정해야 한다. 멜라토닌이 수면-각성 주기를 조절하는 주요 호르몬이기 때문이다.

여기에 더해 수면의 질과 구조를 측정하기 위해 ‘수면다원검사(PSG)’를 실시하면 좋다. 이를 통해 각 수면 단계에 관한 상세 정보를 파악할 수 있고, 수면 장애가 있는 여부도 확인할 수 있다.

이 방법은 비교적 높은 정확성이 보장되지만 일상적인 상황에서는 실행하기 어려운 방법이다. 시간적인 문제도 그렇지만, 비용 부분도 최대 100만 원에 이르는 등 상당히 부담스러울 수 있기 때문이다.

 

간접 데이터 정확성 높이는 필터링 기술

카이스트-미시간 대학 공동연구팀은 이런 한계점들을 해결할 수 있는 방안에 주목했다. 이미 가능성이 있는 도구는 널리 보급돼 있다. 바로 스마트 워치를 비롯한 웨어러블 기기다. 상당수의 사람들이 사용하고 있는 기기이며, 생체리듬 파악을 위한 검사 비용에 비하면 가격도 저렴한 편이다.

무엇보다 웨어러블 기기는 항시 착용하고 다니는 경우가 많으므로, 공간 제약 없이 실시간으로 심박수, 체온, 활동량 등 다양한 생체 데이터를 수집할 수 있다. 다만, 현재로서는 ‘간접적인 정보’만을 제공하는 데 그치고 있으며, 특성상 데이터의 정확성을 100% 신뢰하기 어렵다는 문제가 있다.

공동연구팀은 스마트 워치를 사용해 수집한 데이터로부터 생체리듬을 정확히 추정할 수 있는 ‘필터링(Filtering)’ 기술을 개발했다. 웨어러블 기기로 수집한 생체 데이터에서 노이즈를 제거하고, 유용한 정보만을 추출하는 기술이다. 

이는 뇌 속 일주기 리듬을 정밀하게 묘사하는 ‘디지털 트윈(Digital Twin)’을 구현한 것이다. 이를 활용해 일주기 리듬을 시뮬레이션하고, 이를 바탕으로 생체리듬 변화를 예측할 수 있다.

 

우울 증상 여부 상시 모니터링 가능

한편, 공동연구팀은 이 기술을 활용해 우울증 관련 증상을 예측할 수 있다는 것도 확인했다. 약 800명의 교대 근무 종사자들을 대상으로 한 연구를 통해, ‘내일의 기분’과 우울증과 관련된 6가지 증상을 예측해낼 수 있었다. 여기에는 수면 문제, 식욕 변화, 집중력 저하, 자살 생각 등이 포함된다.

카이스트 뇌인지과학과 김대욱 교수는 “그동안 웨어러블 생체 데이터는 제대로 활용할 수 없었다”라며 “수학을 활용해 이 데이터를 실제 질병 관리에 적용할 수 있는 실마리를 찾을 수 있어 매우 뜻깊다”라고 전했다. 

한편, 김 교수는 “이번 연구를 통해 연속적이고 비침습적인 정신건강 모니터링 기술을 제시할 수 있을 것”이라고 이야기했다. 이를 통해 우울 증상을 스스로 자각하지 못하거나 인정하지 않는 경우 객관적인 근거가 돼 줄 수 있을 것이다. 이는 사람들이 보다 능동적으로 정신건강 관리 및 치료에 나설 수 있게 하는 새로운 패러다임을 제시할 것으로 기대된다.

 

웨어러블 형태의 스마트 기기는 일상에서 매우 유용하게 쓰인다. 기존 스마트폰을 활용하는 건강 관리 앱의 경우, 여러 가지 편리한 기능을 제공하긴 하지만 어디까지나 사용자가 직접 데이터를 등록해야 하는 방식이었다. 

이에 비해 스마트워치, 스마트링 등은 심박수와 피부 온도를 측정할 수 있고, 달리기 등 운동을 할 때 속도가 어느 정도인지도 알려준다. 엄격한 정확성을 보장하지는 않지만, 대략적인 칼로리 소모량도 알려준다. 스마트폰과 연동할 경우 혈압이나 체성분 측정 기능을 제공하기도 한다. 

여전히 발전하고 있지만, 현재로서도 중요한 신체 기능 중 일부를 상당히 높은 정확도로 추적하고 있다. 다음 단계는 무엇일까? 측정의 정확도를 높이는 영역은 이미 활발한 연구가 이루어지고 있다. 사람들의 관심을 끌 수 있으려면 ‘보다 획기적인 무언가’를 측정할 수 있어야 한다.

‘생화학적 데이터’는 어떨까? 땀이나 침, 눈물 등 체액은 물론 호흡을 통해 드나드는 성분들까지 웨어러블 기기로 분석할 수 있을까? 최근 연구결과에 따르면 충분히 가능성이 있다. 그것도 그리 오래 걸리지 않아 실현될 것 같다는 전망이다.

 

웨어러블 기기의 최대 강점, ‘비침습성’

웨어러블 기기는 보통 전문적인 장비의 도움을 받아야 알 수 있었던 다양한 건강 지표를 보다 손쉽게 알 수 있게 해줬다는 점에서 획기적이었다. 물론 정확도 면에서는 전문적인 장비에 미치지 못하는 경우가 많다는 점은 어쩔 수 없는 한계다. 

하지만 이를 해결하기 위한 연구가 지속적으로 이루어지고 있으며, 현재 상용화된 모델도 과거에 비하면 정확도가 상당히 개선된 편이다. 특히 심박수나 운동량에 관한 부분은 매우 유용하며, 실제로 이를 활용해 수월하게 건강관리를 하고 있는 사람도 무척 많다.

어쨌거나 일반인 입장에서는 ‘제대로 알 방법이 없었던’ 것들도 ‘어느 정도 알 수 있게 된 셈이다. 그것만으로도 크나큰 진보라 할 수 있을 것이다. 정확도 문제는 결국 시간 문제일 거라고 본다. 좀 더 지나면 한층 더 높아질 것임이 분명하다.

웨어러블 기기의 가장 큰 장점이라 하면 ‘비침습적’이라는 점을 빼놓을 수 없다. 건강 상태를 정밀하게 측정할 수 있는 방법들 중에는 침습적인 방법이 많다. 혈액 검사나 조직 생검 등이 대표적이다. 이는 상대적으로 높은 정확도를 보여주지만, 환자 입장에서는 통증을 감내해야 하고 시술이나 수술에 대한 부담을 가질 수밖에 없기 때문에 여러 모로 한계가 발생한다.

웨어러블 기반의 비침습적인 방법은 이를 보완하는 방향으로 발전해왔고 여전히 발전을 거듭하고 있다. 환자에게 통증이나 불편함을 주지 않고 건강 지표를 관리할 수 있게 하는 것은 웨어러블 기기의 발전에서 핵심적으로 고려하는 특성 중 하나일 것이다.

 

웨어러블로 생화학 성분 데이터 분석?

기술의 발전은 여전히 진행 중이다. 웨어러블 기기는 비침습적 방법이라는 특성을 유지하면서 다음 단계의 가능성을 모색하고 있다. 스위스의 한 연구팀이 웨어러블 분야의 연구 현황을 메타 분석한 바에 따르면, 최근 센서 기술의 발전과 함께 땀 속의 생화학적 성분을 실시간 측정할 수 있는 기기가 개발되고 있다. ‘생화학적 지표의 변화’를 감지하는 웨어러블 기기가 가능해지는 것이다.

스위스의 연구기관 콜레기움 헬베티쿰(Collegium Helveticum)의 펠로우인 노에 브라지에 박사와 스위스의 공과대학 ETH 취리히의 요르크 골트한 교수는 웨어러블 센서 분야의 현황에 대한 메타 연구를 수행하고, 그 결과를 「네이처(Nature)」에 게재했다.

노에 브라지에 박사는 ‘땀’ 때문에 웨어러블 기기에 관심을 갖게 됐다고 말한다. 브라지에 박사는 “우리는 상황에 따라 신체의 ‘다른 부위’에서 ‘다른 성분의 땀’을 흘린다”라고 말하며, “그 외에도 땀에는 엄청난 양의 정보가 들어있다”라고 이야기했다. 땀이 흐르는 부위와 그 성분만 가지고도 사람의 건강 상태에 대해 비교적 정확한 결론을 도출할 수 있다는 설명이다.

예를 들어, 땀 속의 전해질 농도 변화는 탈수 상태를 알려주는 지표가 될 수 있다. 혹은 땀에 포함된 특정 대사물질의 농도를 통해 현재 그 사람이 스트레스를 받고 있는지, 어느 정도의 피로감을 느끼고 있는지 등을 확인할 수도 있다.

이는 땀 뿐만 아니라 인체에서 발산되는 모든 종류의 체액에 적용할 수 있는 이야기다. 브라지에 박사는 “개인적으로는 피부 표면에 착용할 수 있는 웨어러블 기기에 가장 관심이 많지만, 기기는 의료적 목적에 따라 다양해질 수 있다”라고 말했다. 

즉, 목적에 따라 다른 형태의 데이터가 필요할 수 있고 그에 따라 기기의 형태나 착용 부위 등도 달라질 수 있다는 것이다. 예를 들어, 폐렴 환자의 상태를 모니터링하고자 한다면 환자의 호흡을 분석할 수 있는 기기가 가장 적합할 것이다.

 

“기술적으로 충분히 가능”

연구팀이 내놓은 결론은 명확하다. 생화학적 분석이 가능한 웨어러블 기기는 충분히 실현 가능하다. 다만, 소소한 기술적 걸림돌에 대한 연구들이 이어지고 있다. 예를 들어 ‘센서는 얼마나 오랫동안 측정을 계속할 수 있는지’, 혹은 ‘어느 정도의 동력을 필요로 하며, 그 동력은 어떻게 공급할 것인지’ 등이다. ‘사용 후 오염된 기기의 세척 및 보관은 어떻게 해야 편리할 것인지’와 같은 부수적 문제도 마찬가지다.

또한, 웨어러블 기기를 통해 측정한 데이터를 어떻게 처리하고 해석하고 보여줄 것인지에 대한 문제도 있다. 데이터를 보는 사람이 의료 전문가인지, 일반인인지에 따라 그 방법은 크게 달라질 수밖에 없기 때문이다. 이러한 작업들은 인공지능 기술과의 접목을 통해 점점 해결책을 찾아나갈 것으로 기대된다.

이밖에 기기가 개발됐을 때 정식 출시가 결정되거나 임상에 적용되려면 다양한 조건에서의 검증이 필요하다. 이를 테면 안전성이나 효과에 대한 검증, 적절한 가격 설정 등에 관한 문제가 있다. 물론 윤리적인 문제도 고려해야 하며, 사회적으로 사람들이 받아들이는 과정도 필요하다. 

하지만, ‘획기적’ 혹은 ‘혁명적’이라 꼽혔던 역사상 모든 기술들도 모두 상상력으로부터 출발했다. 이미 상상의 결과는 현실로 다가왔고, 남은 문제는 상상과 실현 과정에 비하면 그리 어려운 문제가 아닐 것이다.

착용했을 때는 격하게 움직여도 떨어지지 않고, 떼어낼 때는 자극 없이 가능한 초강력 접착 패치가 개발됐다. 따개비의 접착력과 아르마딜로의 갑옷 구조를 결합·응용한 결과물이다. 울산과학기술원(UNIST) 정훈의 교수팀은 동 기관 전기전자공학과 김재준 교수팀, 그리고 국립생태원 생태신기술팀과의 공동 연구를 통해 ‘모션 적응형 테셀레이션 패치’를 개발했다.

 

접착력, ‘따개비’ 부착 원리로 접근

접착형 패치가 해결해야 할 가장 큰 문제라면 격한 움직임이나 마찰력 등 외부에서 가해지는 힘에 의해 접착면에서 떨어지는 것이다. 상처에 붙인 밴드나 근육 통증 완화를 위한 패치 등 단순한 것부터, 생체 신호를 측정할 수 있는 스마트 패치까지 모든 접착형 제품의 공통된 애로사항이다. 

이에 연구팀은 접착성을 유지하기 위한 방법으로 ‘따개비’의 특성을 응용했다. 바닷가에서 흔히 볼 수 있는 따개비는 울퉁불퉁한 바위 표면에도 단단하게 붙어있다. 이는 따개비가 거친 표면에 밀착하기 위해 특수한 단백질을 사용하기 때문이다.

따개비의 접착 단백질은 기본적으로 부드럽고 유연한 조직이다. 그러다가 바위에 달라붙을 때는 이 단백질이 바위 표면을 꼼꼼하게 채운 다음, 딱딱하게 굳으면서 바위에 단단히 부착된다. 달라붙을 표면의 형태에 맞춰 부착면의 구조를 자유롭게 바꿀 수 있다는 것이다.

또한, 따개비의 접착 단백질은 부착 후 주위의 수분이나 온도 등으로 인해 굳어지면서 강성이 높아진다. 유동성이 있던 단백질 조직이 단단한 구조물처럼 변하는 것이다. 바위에 붙은 따개비를 떼어내기 위해서는 상당한 힘을 들여야 하는 이유다.

연구팀은 이 과정이 이루어지는 원리를 분석한 다음, 이를 응용해 ‘형상기억고분자’를 만들었다. 눈으로는 잘 보이지 않는 피부 표면의 굴곡에도 단단하게 밀착이 가능하며, 온도를 조절하면 별다른 자극 없이 쉽게 떨어지는 구조다. 붙였다 떼는 과정에서 접착력이 저하되는 기존 패치와 달리, 온도 조절을 기반으로 하기 때문에 여러 번 붙였다 떼도 동일한 접착력이 유지된다.

 

아르마딜로 갑피 구조로 유연성 확보

또 다른 문제점이라면, 패치 자체가 손상되는 것이다. 강한 마찰이 발생하거나 부착 부위가 당겨지면서 패치가 찢어지는 경우가 대표적이다. 혹은 땀이나 물 등의 수분이 유입돼 기능이 저하되거나 온도에 따라 변질되면서 손상되는 경우도 있다.

연구팀은 이 부분을 해결하기 위해 ‘아르마딜로’의 갑피 특성을 활용했다. 아르마딜로의 갑피는 각질로 된 여러 개의 판이 서로 겹쳐져 있는 구조를 띠고 있다. 그 사이를 부드러운 콜라겐 섬유가 채우고 있는 테셀레이션(tessellation) 구조다. 

충격이 가해질 때 힘을 고르게 분산시켜줄 수 있어 총알을 튕겨낼 수 있을 정도이며, 그러면서도 몸을 둥그렇게 말 수 있을 정도의 유연성을 제공한다. 이는 물리적 충격은 물론 화학 물질에 의한 손상, 극한의 온도 변화, 미생물 침투에 대한 저항력까지 제공한다.

연구팀은 형상기억고분자를 서로 겹쳐서 배열하고, 그 조각들 사이를 ‘탄성 고분자’로 채워 아르마딜로의 갑피 구조를 모방했다. 이를 통해 신축성과 유연성을 보강함으로써, 격렬하게 움직이더라도 패치가 떨어지거나 손상되지 않도록 했다.

 

부위 상관 없이 부착 가능할 것

연구팀을 이끈 정훈의 교수는 “기존의 신체 부착형(웨어러블) 디바이스는 움직임에 따라 변형되거나 반복적으로 가해지는 스트레스에 취약하고, 장시간 착용 시 피부에 자극이 되거나 불편하게 느껴지는 경우가 많았다”라고 설명했다. 

이번 연구의 결과물은 이러한 문제들을 모두 해결할 수 있는 기술이다. 이 패치를 적용해 만든 부착형 전자기기를 테스트한 결과, 뛰거나 계단을 오르내릴 때도 접착력을 유지하며 착용자의 심박수 및 혈압을 측정해냈다.

한편, 이 기술은 부착면의 형태에 구애받지 않는다는 점에서도 주목할 만하다. 보통 웨어러블 기기는 착용할 수 있는 부위가 한정돼 있다. 손목이나 손가락, 팔 등이 일반적이며, 다른 부위에 착용한다고 해도 구조가 비슷한 발목 정도가 한계다. 그 외 부위에 착용하려면 고정에 필요한 별도의 보조기구가 필요한 것이 보통이다.

하지만 따개비의 접착 단백질을 응용한 테셀레이션 패치는 부착면의 조건에 구애받지 않고 강력한 접착이 가능하다. 부착 목적에 맞춰, 개인 편의성에 맞춰 어디든 부착이 가능하다는 점이 뛰어난 경쟁력을 가질 것으로 예상된다.

연구를 함께 진행한 전기전자공학과 김재준 교수는 “움직임으로 제약을 받던 기존 기술의 한계를 극복해, 다양한 신체 부위에 활용할 수 있는 착용형 디바이스 개발에 기여할 것”이라며 “향후 이를 활용한 기술 이전 및 창업을 준비할 예정”이라고 전했다.

이번 연구결과는 재료과학 분야 국제 학술지인 「어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)」에 게재됐다.

 

헬스케어 앱에서 동작의 변화를 보다 세밀하고 정확하게 인식할 수 있는 기술이 개발됐다. 인공지능에 의한 벡터를 계산하고, 그 벡터 값이 어떻게 변하는지를 토대로 동작의 변화를 감지하는 변화점 탐지 방법론이다.

 

운동 상태 모니터링을 위한 ‘변화점 탐지’

일상생활에서 스마트 워치, 스마트 링 등 웨어러블 기기를 사용하는 사람은 흔하다. 이들은 여러 용도로 사용되지만, 가장 흔한 용도를 꼽으라면 ‘운동 상태 모니터링’을 빼놓을 수 없을 것이다. 특히 건강관리를 위해 운동 기록을 남기고 축적하는 사람들에게는 매우 중요한 기능이다. 

이를 위해 헬스케어 앱에서는 사용자의 상태 변화를 감지하고, 현재 어떤 동작을 하고 있는지를 정확하게 인식하는 기능이 중요하다. 이를 ‘변화점 탐지’라 부르며, 이 기능의 품질을 향상시키기 위해 다양한 인공지능 기술이 적용된다.

기존 헬스케어 앱은 인터벌 방식의 동작 변화를 원활하게 감지하는 경향이 있다. 즉, 천천히 걷다가 갑자기 뛰기 시작하는 경우, 반대로 뛰다가 속도를 대폭 줄이는 경우 등의 갑작스러운 변화는 잘 측정하는 경향을 보인다. 

하지만 천천히 걷다가 속도를 높이면서 달리기 시작하는 식으로, 점차 속도를 높여가는 경우는 제대로 측정하지 못하는 경우가 있었다. 즉, ‘급진적 변화는 잘 캐치하지만, 점진적 변화는 제대로 탐지하지 못하는 경향’을 보인 것이다.

이에 카이스트 전산학부 이재길 교수 연구팀은 사용자의 동작이 얼마나 빨리 변하는지와 관계없이, 정확하게 상태를 감지하는 변화점 탐지 방법론을 개발하고자 했다.

 

‘거리’ 대신 ‘곡률’을 기준으로 삼다

연구팀은 인공지능 기술을 활용, 사용자가 움직일 때마다 발생하는 센서 데이터를 벡터(Vector)로 표현했다. 이때 시간의 흐름에 따라 그래프상에서 벡터가 ‘이동하는 방향’에 주목했다. 같은 동작이 유지되는 동안에는 벡터의 이동방향이 자주 변하는 경향이 나타나며, 이는 곡률 값이 커지는 것을 의미한다. 즉, 동작은 고정돼 있지만, 데이터 변화가 불규칙적이거나 급격하게 나타날 수 있다. 

반면, 동작이 바뀔 때는 벡터가 직선에 가깝게 이동하는 경향이 있다. 이 경우는 곡률 값이 작아지며, 이는 데이터의 변화가 부드럽고 연속적이라는 것을 나타낸다.

연구팀은 이러한 방법론을 ‘리커브(RECURVE)’라고 명명했다. 리커브는 양궁 경기에 쓰이는 활의 한 종류를 가리키는 단어다. 리커브 활이 휘어있는 모습이 본 방법론의 동작 방식을 잘 나타낸다고 생각해 붙인 이름이다. 

기존의 탐지 방법론에서는 변화점 탐지 기준을 ‘거리’로 삼았다. 센서 데이터가 바뀌는 지점을 측정해, 데이터 포인트 간의 거리 변화가 일정 기준을 넘으면 변화를 감지하는 방식이었다. 그러나 리커브 방법론은 데이터의 이동 방향이 변하는 정도(곡률)를 기반으로 변화점을 탐지한다는 점이 특징이다. 변화점 탐지 기준을 ‘거리’에서 ‘곡률’로 바꾼 셈이다. 

곡률은 데이터의 변화가 나타낸 그래프가 ‘얼마나 굴곡져 있는지’, 시간에 따른 변화가 얼마나 급격한지를 나타내는 지표다. 같은 동작을 유지하는 동안 데이터는 미세한 변동이 반복된다. 즉, 벡터의 방향이 자주 변하기 때문에 곡률 값이 크게 나타난다. 

반대로 동작을 바꿀 때는 데이터 변화가 부드럽고 연속적으로 이루어진다. 이에 따라 곡률 값이 작아지면서 직선에 가까운 그래프가 그려질 가능성이 높다. 연구팀은 리커브 방법론을 통해 기존 방법론 대비 최대 12.7% 정확도 향상을 달성했다.

 

디지털 헬스케어의 진화 기회

이러한 기술의 개발은 실생활에 어떤 영향을 미칠까? 우선 점진적 변화를 감지할 수 있는 기능으로, 운동 상태를 더욱 정확하게 인식할 수 있다. 이로써 사용자에게 더욱 적합한 맞춤형 피드백을 제공할 수 있다. 예를 들면, 운동의 강도를 조절하거나 재활 목적의 움직임에서 상태 변화를 더욱 정확히 모니터링할 수 있게 된다.

또한, 건강 증진 및 관리 목적으로 사용하는 웨어러블 기기의 헬스케어 앱이 보다 정밀한 성능을 발휘할 수 있게 된다. 서서히 속도를 높이거나 줄이는 점진적 변화도 정확하게 감지할 수 있게 되기 때문에, 사용자가 운동을 더 효과적으로 진행할 수 있도록 돕는다.

연구팀을 지도한 이재길 교수는 리커브 방법론에 대해 “데이터 변화점 탐지 분야의 새로운 지평을 열 만한 획기적인 방법”이라고 이야기했다. 이 교수는 또한, “실용화 및 기술 이전이 이뤄지면 실시간 데이터 분석 연구 및 디지털 헬스케어 산업에 큰 파급효과를 낼 수 있을 것”이라고 말했다.

한편, 이번 연구는 국제학술대회 ‘신경정보처리시스템학회(NeurIPS) 2024’에서 올 12월 발표될 예정이다.

 

스마트 워치 등 웨어러블 기기는 이제 스마트폰 못지 않게 널리 보급되며 일상에 깊숙하게 자리잡았다. 웨어러블 기기는 운동 추적, 걸음수 및 심박수 측정 등 개인 건강 관리 측면에서 널리 활용되고 있다. 이는 사람들로 하여금 기본적인 건강을 스스로 관리할 수 있도록 했다.

하지만 기존까지 웨어러블 기기는 측정 정확도가 들쭉날쭉한 경우도 있었다. 피부 표면에 닿는 센서에 노이즈가 발생하거나, 피부 수분 상태 또는 움직임에 따라 센서 접촉 상태가 달라지는 등의 문제로 측정 결과가 달라지는 경우가 있었다. 

이러한 문제점을 해결할 수 있는 가능성이 생겼다. 카이스트 신소재공학과 스티브 박 교수와 바이오및뇌공학과 박성준 교수의 공동 연구팀이 3D 프린팅이 가능하며 조직 표면부터 심부까지 측정할 수 있는 전도성 하이드로젤 소재를 개발했다고 밝혔다.

 

독성 없는 고전도성 소재

웨어러블 기기에는 생체 신호를 감지하고 분석하는 ‘생체전자소자’가 활용된다. 기존 사용됐던 생체전자소자는 금속성 기반으로, 물성이 단단하기 때문에 연약한 생체조직에 상처를 입힐 수 있다는 문제점을 안고 있었다. 

이를 보완하기 위해 전도성 하이드로젤 소재를 개발했으나, 전기전도성이 낮아 생체 신호를 정확하게 감지하는데 한계가 있었다. 또한, 독성이 있어 약 24시간에 걸쳐 독성을 제거하는 공정이 필요했다.

카이스트 연구팀이 이번에 개발한 새로운 하이드로젤 소재는 전기전도성과 생체적합성에 관한 문제점을 모두 해결했다는 점에서 주목할 만하다. 전도성 고분자를 나노미터 크기로 가공해 높은 전도성을 갖도록 하고, 원심분리 공정을 통해 사전에 독성 물질을 제거함으로써 독성 제거를 위한 후처리 공정을 생략할 수 있게 됐다.

이는 기존에 선행됐던 연구에 비해 전도성은 약 1.5배 향상된 결과이며, 고해상도 패터닝 및 전방위 3D 전극 패터닝이 가능하다는 장점을 가진다. 3D 마이크로니들 구조로 생체조직에 접촉했을 때 손상을 최소화한다는 장점도 있다.

 

의료 분야부터 웨어러블 기기까지 폭넓게 활용 가능

연구팀은 의료 분야에서 사용되는 측정 소자들로 새로운 소재의 기능성을 검증했다. 심전도와 근전도를 측정할 수 있는 타투, 뇌 피질 전도도를 측정할 수 있는 소자, 3D 뇌 탐침이 가능한 측정 소자 등을 만들어 기존 대비 어떤 성능을 갖는지를 확인했다.

그 결과, 기존 2D 전극 패터닝 기술로는 접근하기 어려웠던 표면 이하 심부 영역까지 측정할 수 있다는 점을 확인했다. 예를 들어 근육의 전기적 활동을 보다 정확하게 측정함으로써 운동 기능이나 재활 치료에도 활용할 수 있을 것이다. 

또한, 심부 영역의 뇌 신경세포를 측정할 수 있게 됨으로써 뇌가 어떤 식으로 활성화되는지를 보다 정확하게 해석할 수 있는 한편, 뇌의 특정 부위에서 발생하는 신경 신호를 정밀하게 측정할 수도 있다. 이는 신경계에 발생하는 질환을 조기에 진단하거나 치료하는데 기여할 수 있다.

일상적인 영역에서는, 지금보다 더욱 정확한 측정 성능을 가진 웨어러블 기기를 만나볼 수 있을 것이다. 피부 표면과의 접촉을 최적화할 수 있고, 입체적으로 설계된 3D 전극 패터닝 기술을 적용할 수 있으므로 보다 정확하게 심박수 등의 신호를 측정해낼 수 있다는 것이다. 유연하고 부드러운 소재 특성으로 피부 자극 없은 착용감도 기대할 수 있다.