화섬정보 10. 19

2021년 7월 미국 테라사키 의생명 혁신 연구소 (Terasaki Institute for Biomedical Innovation, 이하 TIBI)의 Ali Khademhosseini 박사 연구팀은 다양한 변형을 효과적으로 감지할 수 있는 웨어러블 스트레인 센서를 개발함.

<TIBI 연구팀에 의해 개발된 스트레인 센서>

최근 몇 년 동안 개인의 건강 모니터링을 위한 웨어러블 센서에 많은 관심이 집중되고 있음. 인체의 신체 기능은 다양한 근육과 관절의 스트레칭에 의해 이루어지며, 센서는 신체의 굽힘 및 움직임부터 손목의 맥박이 뛰는 것까지 다양한 지점에서 다양한 수준의 변형을 측정, 감지 및 모니터링 하는 것이 요구됨. 

스트레인 센서 중 일부는 손가락 및 사지 관절의 움직임과 관련된 높은 수준 (40-100%)의 긴장을 감지할 수 있고, 또 다른 센서는 삼키는 것과 얼굴 움직임에서 발견되는 중간 수준 (10-40%)의 긴장을 감지할 수 있음. 또한, 손목 맥박과 성대 진동에서 관찰되는 낮은 수준 (<1%-10%)의 변형에도 민감하게 반응함.

Ali Khademhosseini 박사 연구팀은 스트레인 센서의 신축성을 극대화하기 위하여 자연에서 영감을 얻어 스트레인 센서 제작에 뱀 피부의 신축성의 원리를 적용함. 일반적으로 뱀은 먹이를 삼킬 때 정상적인 몸 크기의 몇 배까지 늘어나는 능력이 있는 것으로 알려져 있는데, 이는 뱀 피부가 겹치는 비늘로 덮여있기 때문이며, 겹쳐진 비늘로 인하여 피부에 형태 변형이 가해지면 비늘이 서로 미끄러지면서 피부가 분리되어 늘어날 수 있게 됨. 따라서 뱀의 비늘은 피부에 탁월한 신축성을 부여함.

연구팀의 수석연구원인 Shiming Zhang박사는 “본 센서개발의 핵심은 새로운 구조의 설계에 있으며, 광범위한 변형률이 요구되는 스트레인 센서 중에서 높은 감도로 센싱을 가능하게 하는 것이 핵심”이라고 언급. 이를 위한 센서 제작에 뱀 피부 표면의 원리를 응용하여 PEDOT:PSS 스트레인 센서를 제작함.

[센서 제작과정]

① 엘라스토머를 이용하여 산소 플라즈마 처리를 통해 표면을 개질

② 전도도와 안정성이 우수한 PEDOT:PSS를 사용하여 얇은 층을 스핀코팅

③ PEDOT:PSS 코팅된 엘라스토머를 변형률 50%로 신장

④ 추가적으로 PEDOT:PSS를 스핀코팅을 통해 증착시킴.

⑤ 엘라스토머 기판에 PEDOT:PSS 이중층을 변형률 100%로 신장

⑥ 변형을 안정화

⑦ PEDOT:PSS 이중층을 하이드로겔 층 위에 부착

이 프로세스는 PEDOT:PSS 층 표면에 균열 및 마이크로스케일 조각을 형성하였으며, 결과적으로 100% 수준의 변형률로 신장된 후, 회복될 때, 뱀의 비늘 구조를 모방한 중첩된 레이어의 구조가 생성되는 공정을 개발함. 또한 하이드로겔 층 위에 부착함으로써 개발된 센서에 생체적합성, 착용감, 편안함 등을 부여함.

<PEDOT:PSS 스트레인 센서의 제작 과정>

 <제작된 스트레인 센서의 신장변형률에 따른 광학 현미경 이미지>

개발된 스트레인 센서는 웨어러블 헬스 모니터링 시스템에서 10% 내외의 작은 변형률이 요구되는 동작 (휴식 및 운동 직후 손목의 맥박, 발성 동안의 목의 피부 및 조직의 움직임), 10%~40% 내외의 중간정도의 변형률이 요구되는 동작 (목넘길 때의 후두의 움직임 및 눈썹의 움직임), 40% 이상의 변형률이 요구되는 동작 (팔꿈치 움직임)에서의 센서 능력을 평가함.

작은 변형률이 요구되는 동작 평가 결과, 안정시 맥박은 60bpm, 운동시 맥박은 80bpm으로 증가함. 발성 감지 능력 평가에 있어, 성대에 센서를 부착 후, ‘동일한 단어를 반복하여 읽었을 때는 유사한 패턴을, 다른 단어를 읽었을 때는 다른 경향의 결과를 얻음. 즉, 성대에 따라 감지되는 영역이 다름을 확인함. 

 <동일한 단어의 반복과 다른 단어의 발성시의 센싱 결과>

중간 정도의 변형률이 요구되는 동작평가 결과, 목넘김이 있을 시, 목 피부는 약 10~30% 정도 변형되었으며, 개발된 센서로 감지 가능함을 확인. 또한 눈썹을 올리고 내리는 동작도 감지함.

<중간 정도의 변형률이 요구되는 동작 평가>

높은 수준의 변형률이 요구되는 동작평가 결과, 팔꿈치 움직임의 굽힘 각도에 따라 각각 다른 수준으로 감지됨을 확인하였으며, 반복된 동작에도 우수한 전도성, 내구성 및 재현성을 나타냄.

 <높은 수준의 변형률이 요구되는 동작평가 결과 및 재현성>

 연구팀에서 개발된 웨어러블 스트레인 센서는 향후 심장 또는 순환 기능 모니터링, 발성 또는 후두 부분에 어려움이 있는 대상자 지원, 신체 재활 및 운동 수행 평가와 같은 다양한 생체의학적 분야에서 적용될 수 있음. 또한 시끄러운 환경에서 일하는 사람들의 의사 소통을 개선하거나 표정과 관련된 심리적 상태를 모니터링하는 것과 같은 창의적인 응용 프로그램에도 사용할 수 있을 것으로 기대됨.