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웨어러블 의료기기 활용 각종 인공 피부 등장
미끄럼 방지 피부·유연 인장 센서 등 개발
[기사입력 2020-06-04 06:45]
△신개념 인공피부들이 개발되고 있다.

국내에서 재활용 웨어러블 의료기기에 사용할 각종 인공 피부 기술들이 개발돼 상용화가 기대되고 있다.

4일 업계에 따르면 국내 연구팀들이 미끄럼을 방지할 수 있는 인공 피부, 웨어러블 유연 센서, 촉각 인식장치 등을 개발, 재활 환자들에게 기대감을 주고 있다.

한국과학기술원(KAIST) 박형순·김택수 교수 연구팀은 최근 사람의 피부 구조를 본떠 미끄럼을 방지할 수 있는 로봇 손 용 인공 피부를 개발했다.

기존 로봇 손 용 피부는 대부분 미용 기능에만 집중돼 있어 작업 능력에는 기여하지 못했다.

연구팀은 실리콘 소재를 이용해 사람의 손바닥 피부처럼 물체가 밀리지 않도록 고정해 줄 수 있는 인공 피부를 개발했다.

겉 피부층, 피하 지방층, 근육층으로 이뤄진 사람의 피부 구조를 본떠 단단한 실리콘 위에 수많은 기공을 가진 다공성 라텍스와 얇은 실리콘 층을 차례로 쌓아 올려 3중 구조를 만들었다. 

이렇게 만들어진 인공 피부는 기공 덕분에 물체의 형상에 맞게 유연하게 변형되면서도 기공 사이에 질긴 라텍스 격벽 덕분에 비틀림이나 당김에도 물체를 견고하게 잡을 수 있다.    

기존에는 로봇이 스마트폰 잡기 동작을 수행하려면 엄지손가락을 쓰지 않고는 불가능했지만, 연구팀이 개발한 인공 피부를 적용하면 물체를 단단히 고정할 수 있어 네 손가락으로도 잡을 수 있다.

실제 인공 피부를 적용한 로봇 손은 일반 로봇 손에 비해 물체를 고정할 수 있는 작업 안정성과 물체를 움직일 수 있는 조작성이 30% 이상 높은 것으로 나타났다.

한국과학기술원 기계공학과 박인규 교수팀은 인체의 관절 굽힘 동작, 자세, 맥박 및 표정 등 다양한 생체 동작을 연속적으로 측정해 운동 시 관절부 움직임 자세 교정과 맥박 측정을 통한 헬스케어 모니터링 시스템 등에 활용할 수 있는 유연 인장 센서를 개발하는데 성공했다.

최근 헬스케어에 대한 관심이 커지면서 웨어러블 유연 센서 개발이 활발히 진행되고 있지만 외부 전기장의 영향에 취약하고 민감도가 낮아 단점으로 지적돼 왔다.

연구진은 이 같은 문제 해결을 위해 탄소 나노튜브가 함침된 탄성중합체의 인장에 따른 광 투과도 변화 현상을 활용, 최고 400%에 달하는 넓은 범위의 인장률을 안정적으로 측정할 수 있는 유연 인장 센서를 개발했다.

이 센서는 외부 인장에 따라 탄성중합체에 함침된 탄소 나노튜브 필름에 틈이 형성돼 광 투과도를 크게 변화시켜 기존의 광학 방식 인장 센서에 비해 10배 이상의 높은 감도를 보여줬다.

또 1만3000회 이상의 인장 변형에도 안정적으로 신호가 회복됐고 다양한 환경 요인(온도, 습도)에도 우수한 감지 성능을 자랑했다.

연구진은 이러한 성능을 바탕으로 손가락 굽힘 동작을 측정해 이를 로봇 조종에 활용했다. 3축 센서로 패키징 해 인체 자세 모니터링에도 활용했다.

또 경동맥 근처의 맥박 모니터링과 발음할 때의 입 주변 근육 움직임 등 미세한 동작도 관찰하는 데 성공했다.

이는 기존의 전기저항식, 정전용량식 및 광학 방식의 유연 인장률 센서가 갖는 한계점을 극복할 수 있는 새로운 플랫폼을 개발한 것이라고 연구진은 설명했다.

기초과학연구원(IBS) 나노의학연구단 박장웅 연구위원팀은 연세대·한양대·KAIST 연구팀과 함께 큰 힘부터 초미세 압력까지 감지하는 촉각 인식장치를 개발했다.

이 장치는 피부에 전극을 가해 전류를 간접적으로 측정하는 게 아니라 압력을 직접 측정하는 방식이다.

연구팀은 압력에 따라 두께가 변하는 물질을 이용해 이웃한 센서 간 간섭 없이 조밀하게 센서를 배열하는 데 성공했다.

연구팀은 사람 머리카락 굵기보다 작은 면적에 센서 400개를 배열하고 장치가 잘 작동하는지 실험했다.

특히 압력을 감지하면 스스로 빛을 내는 화학물질을 촉각 인식장치에 결합해 촉각 분포를 눈으로 볼 수 있도록 했다.

실험 결과 몸무게 50㎏인 사람이 반지름 1㎝ 굽이 달린 구두를 신고 인식장치를 밟았을 때의 압력은 사람 심장세포 하나가 박동할 때 압력의 1000배에 달하는 것으로 확인됐다.    

발걸음부터 세포 움직임까지 넓은 스펙트럼으로 힘을 감지할 수 있어 기존 인식장치보다 정밀도를 100배 이상 높일 수 있다고 연구팀은 설명했다. 


강찬우 기자  ehealth@e-healthnews.com
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