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감각뉴런 모사한 저전력, 장시간 구동 땀 센서 패치 개발
Bio통신원(KIST)
사람이 흘리는 땀에는 혈액의 대사물질, 이온 농도 그리고 영양분과 같은 화학 정보가 포함되어 있어 웨어러블 센서를 통해 이를 모니터링하면 채혈과 긴 검사 시간 없이 비침습적인 방법으로 건강 상태를 확인할 수 있다. 예를 들어, 땀의 양과 이온 농도를 측정하면 사람들이 신체활동 중 적절한 수분과 나트륨을 유지하는데 도움을 줄 수 있고, 과도한 발한 증상을 확인하여 저혈당 쇼크를 사전에 예방할 수도 있다.
하지만, 웨어러블 땀 센서 패치는 실시간 연속 데이터 무선 전송으로 인한 대량의 중복 데이터가 생성되고, 상당한 에너지를 소비하므로 이를 실용화하기 위해 필요한 충분한 작동 시간을 확보하기 어려웠다. KIST(한국과학기술연구원, 원장 윤석진)은 스핀융합연구단 이현정 책임연구원과 한양대학교 기계공학과 곽노균 교수 연구팀이 감각뉴런의 효율적인 정보처리 방식을 모사함으로써 에너지 효율을 파격적으로 향상시키고, 24시간 이상 작동 가능한 웨어러블 땀 센서 패치를 개발했다고 밝혔다.
인간의 감각 뉴런은 외부자극을 받으면 이를 스파이크 (spike) 형태로 변환하여 정보를 주고받는다. 외부자극의 세기가 강할수록 빠른 주파수의 스파이크 신호가 만들어진다. 뉴런의 이러한 이벤트 기반 스파이크 신호 처리방식은 복잡하고 방대한 외부 자극 데이터를 효율적이면서도 신속하고 정확하게 처리할 수 있도록 한다. 인간의 감각 뉴런처럼 사용자의 건강지표와 관련하여 중요한 이벤트가 발생한 경우에만 데이터를 전송하는 “이벤트 기반 무선 모니터링” 방식을 적용한다면 무선 모니터링의 에너지 소비 문제를 해결할 수 있다.
연구팀은 감각 뉴런의 ‘스파이크 신호’ 기반 무선 웨어러블 땀 센서 패치를 개발하고 이벤트 기반 무선 모니터링을 통해 획기적으로 에너지 소비를 줄이는 기능을 임상시험을 통해 시연하였다. 땀 센서는 원뿔 형태의 개방형 수직 땀 채널 상단에 땀 제거 층이 결합되어 채널에 차오르는 땀을 순간적으로 제거할 수 있는 구조로 되어있다(그림 2). 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 만들어진다. 스파이크 신호의 주파수와 진폭을 통해 땀을 배출하는 속도와 땀 이온 성분의 농도에 관한 정보를 파악할 수 있다.
또한 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 실험을 통해 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 입증하였다. 또한 임상시험을 통해 실제 운동 상황에서 다양한 피부 영역의 땀으로부터 정보를 성공적으로 얻을 수 있었다.
이번 연구결과는 장기간의 땀 모니터링을 가능하게 하여 야간 저혈당 쇼크 및 심장 마비와 같은 급성 질병 또는 그 전조 증상을 감지하는 데 사용될 수 있다. 또한 다른 유형의 피부 부착 센서 및 새로운 컴퓨팅 기술과 결합한다면 보다 에너지 효율적이고 지능적인 디지털 건강관리가 가능할 것으로 기대된다.
본 연구는 삼성미래기술육성사업과 과학기술정보통신부(장관 이종호) 중견연구자지원사업으로 수행되었으며, 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션’ (Nature Communication, IF=17.694, JCR 분야 상위 7.432%)에 Editors’ highlights 논문으로 게재되었다.
* (논문명) An epifluidic electronic patch with spiking sweat clearance for event-driven perspiration monitoring
- (제 1저자) 한양대학교 김상하 학생연구원
- (제 1저자) 한국과학기술연구원 박성진 인턴연구원
- (제 1저자) 한양대학교 최진아 학생연구원
- (제 1저자) 한국과학기술연구원 황원섭 박사후연구원
- (교신저자) 한국과학기술연구원 이현정 책임연구원
- (교신저자) 한양대학교 곽노균 부교수
※ 논문 주소: https://doi.org/10.1038/s41467-022-34442-y
연구결과 개요
1. 연구배경
인체의 땀에는 혈액의 대사물질, 이온 농도 그리고 영양분과 같은 화학 정보가 포함되어 있으며, 표피의 땀 모니터링은 채혈과 긴 검사 시간 없이 건강 상태를 확인하는 유망한 비침습적 방법으로 피트니스 및 의료 분야에서 많은 관심을 받고 있다. 예를 들어 땀의 양과 이온 농도를 측정하면 사람들이 신체활동 중에 적절한 수분과 나트륨을 유지하는데 도움이 될 수 있으며, 저혈당 쇼크로 인한 과도한 발한 같은 사전 증상을 확인하고 적절한 대처를 할 수 있다. 인체에 부착하여 장시간 땀 모니터링이 가능한 웨어러블 땀센서패치기술은 이러한 인체의 이상 증상을 미리 감지할 수 있는 목적으로 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다. 그러나, 웨어러블 땀 센서 패치의 제한된 작동 시간과 장기적인 무선 센서 기능을 확보하는데 필요한 에너지 소비의 문제로 인해 실용화가 어려운 실정이다. 이번 연구에서는 감각 뉴런의 효율적인 외부 정보 처리 기능을 기반으로 간단하지만 작동 시간에 제한이 없고, 에너지 소비 문제를 파격적으로 해결한 웨어러블 땀 센서 패치를 개발하고 임상연구를 통하여 그 활용 가능성을 입증하였다.
2. 연구내용
이번 연구에서는, 땀 정보를 스파이크 신호로 변환할 수 있는 간단한 땀 센서를 개발하였다. 개발된 땀 센서는 원뿔 형태의 개방형 수직 땀 채널을 기반으로 하고 있으며 땀 채널 상단에 땀 제거 층이 결합 되어 채널에 차오르는 땀을 순간적으로 제거할 수 있는 구조로 되어 있다. 또한, 땀 채널 내벽에 한 쌍의 나노메쉬 전극이 있어 땀이 차오르고 제거되는 과정을 전기적인 신호(어드미턴스)로 변환하게 된다. 땀이 차오르면서 어드미턴스가 증가하다가 땀이 순작적으로 제어되면 급격히 감소하게 되고 이러한 과정이 반복되면서 스파이크 형태의 신호가 만들어진다. 채우고 비우기를 반복하는 과정을 통해 땀 센서는 장기간 (> 24시간) 연속적으로 작동할 수 있으며, 새로 분비된 땀이 이전 땀과 혼합되지 않으면서 수집될 수 있다. 개발된 땀 센서 패치의 스파이크 신호의 주파수와 진폭에는 땀을 배출하는 속도와 땀 이온 성분의 농도에 관한 정보가 인코딩 되어있다. 따라서, 적은 수의 무선 데이터 전송으로도 이러한 주요 정보들은 완전히 디코딩할 수 있기때문에 전력 소비를 최소화할 수 있게 된다. 실제로 연구팀은 실험을 통해 이벤트 기반 데이터 전송 방식의 에너지 소비가 연속 데이터 전송 에너지 소비의 0.63%에 불과하다고 밝혔다. 또한, 실제 운동 상황에서도 작동할 수 있음을 입증하였으며, 운동 중 다양한 피부 영역의 땀으로부터 주요 정보를 성공적으로 얻을 수 있었다.
3. 기대효과
땀이 날 때에만 스파이크 신호를 만들고 적은 수의 데이터 전송만으로 유용한 건강정보를 장시간 모니터링할 수 있는 본 웨어러블 땀 센서 패치 기술은 야간 저혈당 쇼크 및 심장 마비와 같은 급성 질병 또는 그 전조 증상을 감지하는데 사용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 다른 유형의 피부부착센서 및 새로운 컴퓨팅 기술과 결합한다면 보다 에너지 효율적이고 지능적인 디지털 건강 관리가 가능할 것으로 기대된다.
연구결과 문답
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
❍ 처음에는 땀을 장시간 모니터링할 수 있는 새로운 개념의 땀 센서 기술을 개발하는데 초점을 맞추어서 연구를 시작하였다. 따라서, 땀을 효율적으로 모으고 이를 효과적으로 배출하여 장시간 구동이 가능한 센서 구조를 설계하고 제작하는 기술을 개발하고 있었다. 그런데, 연구를 진행하면서 장시간 부착하는 패치의 경우 아무래도 일상생활에 지장을 주지 않는 무선 데이터 전송 기능도 중요하다고 판단하고 이러한 기능까지 고려한 센서 패치를 개발하게 되었다.
❍ 땀은 그 특성상 일상적인 상황에서는 그 배출량이 많지 않고 또 간헐적으로 나는 경향이 있어 측정된 땀 센서의 데이터를 모두 보내는 것은 데이터 효율 측면과 에너지 효율 측면에서 비효율적인 것 같아 측정된 땀 정보를 축약하여 데이터를 전송하는 방식을 고려하다 감각뉴런의 신호처리방식을 모사한 방법까지 생각하게 되었고 그 가능성을 확인하는 연구까지 진행하게 되었다.
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
❍ 학계적 측면: 땀 모니터링은 비침습적인 건강모니터링의 한 방안으로 제시되고 있어 사람의 개입 없이 장시간으로 구동이 가능한 기술을 개발하려는 연구가 최근 활발하게 진행되고 있다. 가장 최근에는, 땀 제거가 가능하거나 장시간 모니터링이 가능한 새로운 개념의 땀 센서들에 대한 보고도 나오고 있다. 그러나, 본 연구에서와 같이 장시간 구동이 가능하면서 땀이 나오는 정보를 전기적인 스파이크 신호로 변환하고 스파이크 생성에 따라 무선 신호 전송을 제어하는 기술은 보고된 바가 없다.
❍ 산업적 측면: 땀 정보를 스파이크로 변환하고 스파이크 생성에 따라 축약된 땀 정보를 무선 전송하는 방식은 극히 적은 데이터의 수와 무선 전송만으로도 필요한 정보를 얻을 수 있는 장점이 있다. 따라서, 본 기술은 장시간, 저전력으로 땀을 모니터링할 수 있는 핵심 기술로 활용될 수 있다.
□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나?
❍ 피부에 장시간 부착이 가능하고 저전력으로 구동이 가능하므로 야간 저혈당 쇼크 및 심장 마비와 같은 급성 질병 또는 그 전조 증상을 감지하는데 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
❍ 또한, 다른 유형의 피부부착센서 및 새로운 에지 컴퓨팅 기술과 결합한다면 보다 에너지 효율적이고 지능적인 디지털 건강 관리가 가능할 것으로 기대된다.
□ 기대효과와 실용화를 위한 과제는?
❍ 기대효과: 헬스케어와 인공지능기술의 융합은 앞으로 그 발전 가능성과 시장성이 매우 클 것으로 예상되어 파급효과가 막대할 것으로 기대된다. 본 연구는 이러한 분야에서 새로운 기술을 제시할 수 있을 것으로 기대한다.
❍ 실용화를 위한 과제: 실용화를 위해서는 센서 패치 제작에 사용되는 공정을 더 단순화할 필요가 있다. 또한, 땀 배출 특성은 개인마다도 다르고 신체 부위에 따라서도 다르다는 특징이 있으므로 개인 맞춤형 땀 모니터링 기술에 대한 연구가 필수적이고 임상의들과의 긴밀한 협력 연구도 필수적이다.
[그림 1] 생물학적 감각 뉴런과 개발된 땀 센서 패치의 외부 자극에 대한 스파이크 인코딩 모식도
[그림 2] 개발된 땀 센서 패치의 구조 및 작동 원리 (위 그림). 땀 센서 패치를 활용한 스파이크 이벤트 기반 무선 땀 모니터링 임상연구결과 (아래 그림).
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