땀에 강한 근전도 센서로 재활치료 돕는다

KAIST, 신축·접착성 마이크로니들 센서 개발

[아이뉴스24 최상국 기자] KAIST 전기및전자공학부 정재웅 교수와 기계공학과 김정 교수 연구팀이 피부 상태에 영향을 받지 않는 근전도 센서 기술을 선보였다.

연구팀이 개발한 신축·접착성 마이크로니들(미세바늘) 센서는 착용자의 땀, 각질 등에도 끄떡없이 고품질의 전기 생리 신호 측정이 가능해 노인, 뇌졸중 환자, 외상 환자들의 재활치료에 활용되는 웨어러블 로봇이 장기간 안정적으로 작동할 수 있도록 도울 수 있다.

신축·접착성 마이크로니들 센서. (A) 고품질의 전기생리신호 측정이 가능한 신축·접착성 마이크로니들 센서에 대한 개념도, (B) 피부의 신축에 따라 동적으로 순응하는 신축·접착성 마이크로니들 센서, (C) 신축·접착성 마이크로니들 센서 사진 [사진=KAIST]

다양한 재활치료에 활용되는 웨어러블 로봇이 사람의 움직임 의도를 인식하기 위해서는 몸에서 발생하는 근전도를 정확하게 측정하는 웨어러블 전기 생리 센서가 필요하다. 하지만 기존의 센서들은 시간에 따라 신호의 품질이 떨어지거나, 피부의 털, 각질, 땀 등의 영향을 많이 받는다. 또한 피부보다 단단한 물성을 가져 움직임으로 인한 피부 변형을 따라갈 수 없어 노이즈(신호 잡음)를 발생시킬 수 있다.

이번에 개발된 기술은 잘 늘어나며 접착성이 있는 전도성 기판에 피부 각질층을 통과할 수 있는 마이크로니들 어레이를 집적해 불편함 없이 장기간 고품질의 근전도 측정을 가능하도록 했다. 땀, 각질 등을 제거하는 피부 준비 작업을 거치지 않아도 시간에 따른 착용자의 피부 상태 변화에 상관없이 웨어러블 로봇을 안정적으로 제어할 수 있을 것이라 기대된다.

연구팀은 부드러운 실리콘 중합체 기판을 활용해서 마이크로니들을 집적해 신축·접착성 마이크로니들 센서를 제작했다. 단단한 마이크로니들이 높은 저항을 가진 피부의 각질층을 투과해 피부 접촉 저항을 효과적으로 낮춰 털, 각질, 땀, 이물질로 피부가 오염돼도 고품질의 전기 생리 신호를 얻을 수 있다. 동시에 부드러운 전도성 접착 기판이 사람의 움직임으로 인한 피부의 늘어남에 순응해 편안한 착용감을 제공하고 움직임으로 인한 동작 잡음을 최소화할 수 있다.

연구팀은 웨어러블 로봇을 이용한 동작 보조 실험을 진행해 신체 움직임의 크기 및 종류와 상관없이 안정적인 근전도 센싱에 기반한 동작 의도 인식을 통해 웨어러블 로봇이 사용자의 동작을 효과적으로 보조할 수 있음을 검증했다고 밝혔다.

신축·접착성 마이크로니들 센서 회로 패치를 이용한 웨어러블 로봇의 무선 폐회로 구동. (A) 웨어러블 로봇 시스템 개념도, (B) 신축·접착성 마이크로니들 센서 회로 패치와 무선으로 연동된 웨어러블 로봇 사진, (C) 피부 전처리 여부에 따른 웨어러블 로봇의 보조 효과 비교 [사진=KAIST]

연구를 주도한 KAIST 정재웅 교수는 “개발된 신축·접착성 마이크로니들 센서는 피부 상태에 영향받지 않는 안정적인 근전도 센싱을 통해 더욱 정확하고 안정적인 웨어러블 로봇 제어를 가능하게 해 로봇을 활용하는 환자의 재활을 더 용이하게 할 수 있을 것”이라고 말했다.

KAIST 전기및전자공학부 김희수 박사과정과 이주현 박사과정 학생이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 1월 17일 게재됐다.(논문명 : Skin-preparation-free, stretchable microneedle adhesive patches for reliable electrophysiological sensing and exoskeleton robot control)

/최상국 기자(skchoi@inews24.com)