KAIST, 웨어러블 로봇 고품질 제어 센서 개발

신축·접착성 마이크로니들 센서…"땀, 각질 등 피부상태 상관 없어"
전기생리신호 장기간 안정적으로 측정

KAIST는 정재웅 전기·전자공학부 교수와 김정 기계공학과 교수 연구팀이 공동 연구를 통해 피부 상태에 영향을 받지 않고 고품질 전기 생리 신호 측정이 가능한 신축·접착성 마이크로니들 센서를 개발하는 데 성공했다고 23일 밝혔다. 재활치료를 돕는 웨어러블 로봇의 신호 품질을 높일 수 있는 근전도 센서 기술이다.

웨어러블 로봇이 사람 움직임 의도를 인식하기 위해서는 몸에서 발생하는 근전도를 정확하게 측정하는 웨어러블 전기 생리 센서가 필요하다. 하지만 습식·건식 센서 등 기존 센서들은 각질, 땀 등 피부 상태에 영향을 많이 받는 문제가 있었다.

이를 해결하기 위해 피부의 각질층을 뚫고 표피층과 직접 접촉하는 마이크로니들 센서가 개발됐지만 신축성이 없어 움직임으로 인한 피부의 신축에 순응하기 어렵고 기판의 강성률이 부드러운 조직의 강성률보다 높아 기계적 간극으로 인해 마이크로니들 탈착에 피부의 발진을 유발하고 동작 잡음을 야기할 수 있다는 문제가 있다.

이번에 개발된 기술은 잘 늘어나며 접착성이 있는 전도성 기판에 피부 각질층을 통과할 수 있는 마이크로니들 어레이를 집적해 불편함 없이 장기간 고품질의 근전도 측정이 가능하다. 이 센서는 땀, 각질 등을 제거하는 피부 준비 작업을 거치지 않아도 된다. 시간에 따른 착용자의 피부 상태 변화에 상관없이 웨어러블 로봇을 안정적으로 제어할 수 있다.

연구팀은 부드러운 실리콘 중합체 기판을 활용, 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 개발된 신축·접착성 마이크로니들 센서 패치의 효용성을 검증하기 위해 웨어러블 로봇을 이용한 동작 보조 실험을 진행했다. 다리에 부착된 신축·접착성 마이크로니들 센서 패치는 근육에서 발생하는 전기신호를 감지하고 동작 의도를 웨어러블 로봇에 전송해 사람이 무거운 짐을 손쉽게 들어 올릴 수 있도록 도와준다.

마이크로니들 센서 패치를 사용했을 때 웨어러블 로봇이 사용자의 동작을 효과적으로 보조할 수 있음을 연구팀은 확인했다. 피부 상태, 신체 움직임의 크기 및 종류와 상관없이 안정적인 근전도 센싱 기반 동작 의도 인식이 가능했다.

정재웅 KAIST 교수는 “피부 상태에 영향받지 않는 안정적인 근전도 센싱을 통해 더욱 정확하고 안정적인 웨어러블 로봇 제어이 가능할 것”이라며 “로봇을 활용하는 환자의 재활을 더 용이하게 할 수 있을 것”이라고 말했다.

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

한편 이번 연구는 한국연구재단이 추진하는 생체신호센서융합기술개발사업, 전자약기술개발사업, 4단계 BK21 사업의 지원을 받아 수행됐다.