감각뉴런 모사한 땀 센서 패치 개발

저전력·장시간 구동 가능 땀 유량과 이온 농도를 스파이크 신호로 변환·처리해

감각뉴런의 효율적인 정보처리 방식을 모사해 에너지 효율을 파격적으로 향상시키고, 24시간 이상 작동 가능한 웨어러블 땀 센서 패치가 개발됐다.

KIST(한국과학기술연구원)은 스핀융합연구단 이현정 책임연구원과 한양대학교 기계공학과 곽노균 교수 연구팀이 이 같은 패치를 개발했다고 8일 밝혔다.

인간의 감각 뉴런은 외부자극을 받으면 이를 스파이크(spike) 형태로 변환해 정보를 주고받으며, 외부자극의 세기가 강할수록 빠른 주파수의 스파이크 신호가 만들어지는데, 뉴런의 이러한 이벤트 기반 스파이크 신호 처리방식은 복잡하고 방대한 외부 자극 데이터를 효율적이면서도 신속하고 정확하게 처리할 수 있도록 한다. 

연구팀은 인간의 감각 뉴런처럼 사용자의 건강지표와 관련해 중요한 이벤트가 발생한 경우에만 데이터를 전송하는 '이벤트 기반 무선 모니터링' 방식을 적용한다면 무선 모니터링의 에너지 소비 문제를 해결할 수 있으로 보고 관련 연구에 들어갔다.

그 결과, 연구팀은 감각 뉴런의 ‘스파이크 신호’ 기반 무선 웨어러블 땀 센서 패치를 개발하고 이벤트 기반 무선 모니터링을 통해 획기적으로 에너지 소비를 줄이는 기능을 임상시험을 통해 시연했다. 

이를 통해 연구팀은 이벤트 기반 데이터 전송 방식의 에너지 소비가 연속 데이터 전송 에너지 소비의 0.63%에 불과하며, 개발한 웨어러블 땀 센서 패치가 24시간 이상 연속으로 작동할 수 있음을 입증했다. 

또한, 연구팀은 실제 운동 상황에서 다양한 피부 영역의 땀으로부터 정보를 성공적으로 얻을 수 있었다.

땀 센서는 원뿔 형태의 개방형 수직 땀 채널 상단에 땀 제거 층이 결합되어 채널에 차오르는 땀을 순간적으로 제거할 수 있는 구조로 되어 있으며, 땀 채널 내벽에는 한 쌍의 전극이 있어 땀이 차오르고 제거되는 과정을 전기적 신호로 변환할 수 있다. 

땀이 차오르면 전기적 신호가 증가하다가 땀이 순간적으로 제거되면서 급격히 감소하게 되고, 이러한 과정이 반복되면서 스파이크 형태의 신호가 만들어지는데, 스파이크 신호의 주파수와 진폭을 통해 땀을 배출하는 속도와 땀 이온 성분의 농도에 관한 정보를 파악할 수 있다.

더불어 채우고 비우기를 반복하는 과정을 통해 땀 센서는 장기간 연속적으로 작동할 수 있으며, 새로 분비된 땀이 이전 땀과 혼합되지 않으므로 정확한 정보를 전달할 수 있다. 

연구팀은 “이번 연구결과는 장기간의 땀 모니터링을 가능하게 하여 야간 저혈당 쇼크 및 심장 마비와 같은 급성 질병 또는 그 전조 증상을 감지하는 데 사용될 수 있으며, 다른 유형의 피부 부착 센서 및 새로운 컴퓨팅 기술과 결합한다면 보다 에너지 효율적이고 지능적인 디지털 건강관리가 가능할 것으로 기대된다”라고 밝혔다.

한편, 본 연구는 삼성미래기술육성사업과 과학기술정보통신부 중견연구자지원사업으로 수행됐으며, 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션’ (Nature Communication, IF=17.694, JCR 분야 상위 7.432%)에 Editors’ highlights 논문으로 게재됐다.