WHO(세계보건기구)는 재활로 치료 가능한 근골격계 질환을 앓고 사람이 세계적으로 약 17억 명에 이를 것으로 추정한다.
이처럼 운동기능이 떨어지는 환자나 노인의 신체능력을 돕는 기술로 웨어러블 로봇기술이 유력한 대안이다.
웨어러블 로봇이 사용자의 움직임 의도를 인식하려면 여러 생체신호를 분석하는데, 전기생리신호 센서 기반 웨어러블 로봇이 빠른 동작인식 속도를 가져 활발하게 연구되고 있다.
하지만 여기에 사용되는 습식센서는 수분이 증발되며 신호 품질이 저하되며 피부에 알레르기 반응을 유발할 수 있다는 단점이, 건식센서는 상대적으로 장시간 사용할 수 있지만 털, 각질, 땀 등 피부 상태에 따라 신호 품질 편차가 발생하는 문제가 있다.
땀에 강한 웨어러블 로봇 센서 개발
KAIST 전기및전자공학부 정재웅 교수와 기계공학과 김정 교수 공동연구팀이 피부 상태에 영향을 받지 않고 고품질 전기 생리신호 측정이 가능한 신축·접착성 마이크로니들 센서를 개발했다.
(A) 고품질의 전기생리신호 측정이 가능한 신축·접착성 마이크로니들 센서에 대한 개념도 (B) 피부의 신축에 따라 동적으로 순응하는 신축·접착성 마이크로니들 센서 (C) 신축·접착성 마이크로니들 센서 사진. KAIST 이 기술은 잘 늘어나면서도 접착성이 있는 전도성 기판에 피부 각질층을 통과할 수 있는 마이크로니들 어레이를 집적, 불편함 없이 장기간 근전도 측정이 가능하다.
이를 활용하면 각질 등을 제거하는 피부 준비작업과 시간에 따른 착용자 피부상태 변화에 상관없이 웨어러블 로봇을 안정적으로 제어할 수 있을 전망이다.
이를 위해 연구팀은 부드러운 실리콘 중합체 기판을 활용해 마이크로니들을 집적하는 방법으로 신축·접착성 마이크로니들 센서를 제작했다.
마이크로니들은 피부 각질층을 투과해 피부접촉 저항을 낮춤으로써 털, 각질, 땀, 이물질로 피부가 오염돼도 고품질 전기 생리신호를 얻을 수 있다.
또 부드러운 전도성 접착기판은 움직임으로 인한 피부 늘어남에 순응해 편안한 착용감을 제공하고 동작 잡음을 최소화할 수 있다.
공동연구팀은 이를 실제 적용한 결과 다리에 부착된 신축·접착성 마이크로니들 센서 패치가 근육에서 발생하는 전기신호를 감지하고 동작 의도를 웨어러블 로봇에 전송, 사람이 무거운 짐을 손쉽게 들어올릴 수 있도록 돕는데 성공했다.
또 마이크로니들 센서 패치를 사용했을 때 피부 상태, 신체 움직임 크기 및 종류와 상관없이 안정적인 근전도 센싱에 기반한 동작의도 인식으로 웨어러블 로봇이 효과적으로 보조할 수 있음을 확인했다.
(A) 웨어러블 로봇 시스템 개념도 (B) 신축·접착성 마이크로니들 센서 회로 패치와 무선으로 연동된 웨어러블 로봇 사진 (C) 피부 전처리 여부에 따른 웨어러블 로봇의 보조 효과 비교. KAIST 정 교수는 “이번 개발로 피부 상태에 영향 받지 않는 안정적인 웨어러블 로봇 제어가 가능해져 재활 등에 큰 도움이 될 것”이라고 밝혔다.
