맥박 모니터링 및 입 주변 근육 움직임 감지 성공
한국과학기술원(KAIST)은 2일 기계공학과 박인규 교수 연구팀이 신체 동작 및 자세 모니터링에 활용할 수 있는 광 투과 방식의 웨어러블 유연 인장 센서를 개발했다고 밝혔다.
KAIST는 이번에 개발된 인장 센서(Strain sensor) 기술이 인체의 다양한 관절 굽힘 동작과 자세, 맥박 및 표정 등 다양한 생체 동작을 연속적으로 측정 가능해 자세 교정과 맥박 측정을 통한 헬스케어 모니터링 시스템 등에 활용할 수 있을 것이라고 설명했다.
최근 웨어러블 센서 개발이 활발히 진행되면서 인체에 적용할 수 있는 유연 소재를 기반으로 전기저항식, 정전용량 방식 등 다양한 인장 센서가 많이 개발되는 추세다. 그러나 기존의 전기저항식 센서는 장시간 반복 신호 안정성, 선형성에서 한계를 보였고, 정전용량식 센서는 외부 전기장의 영향에 취약하고 센서 민감도가 낮았다. 이를 보완하기 위해 개발된 광학 방식의 유연 인장 센서 또한 민감도를 보였다.
이에 박 교수 연구팀은 탄소 나노튜브가 함침된 탄성중합체의 인장에 따른 광 투과도 변화 현상을 활용, 400%에 달하는 넓은 범위의 인장률을 안정적으로 측정할 수 있는 유연 인장 센서를 개발했다.
연구팀이 개발한 센서는 외부 인장에 따라 탄성중합체에 함침된 탄소 나노튜브 필름에 틈을 형성, 광 투과도를 크게 변화시켜 기존의 광학 방식 인장 센서에 비해 10배 이상의 높은 감도를 가진다. 또한 1만3000회 이상의 인장 변형에도 안정적인 신호 회복을 보였으며 온도, 습도 등 다양한 환경 요인에도 안정적인 감지 성능을 보였다.
연구팀은 이러한 성능을 바탕으로 손가락 굽힘 동작을 측정해 이를 로봇 조종에 활용했으며, 3축 센서로 패키징 해 인체 자세 모니터링에 활용했다. 또 경동맥 근처의 맥박 모니터링과 발음할 때의 입 주변 근육 움직임 등 미세한 동작도 관찰하는 데 성공했다.
구지민 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 나노기술 분야 국제 학술지 ‘ACS Applied Materials & Interfaces’ 3월 4일 자 표지 논문에 게재됐다.
박인규 교수는 “이번 연구를 통해 기존의 전기저항식, 정전용량식 및 광학 방식의 유연 인장률 센서가 갖는 한계점을 극복할 수 있는 새로운 플랫폼을 개발했다”며 “헬스케어, 엔터테인먼트, 로보틱스 등 다양한 분야에 널리 활용할 수 있는 우수한 성능의 웨어러블 센서를 실현했다”라고 평가했다.
