땀에도 강한 웨어러블로봇 제어센서 개발

노인과 뇌졸중 환자, 외상 환자들의 다양한 재활치료에 활용되는 웨어러블(착용형) 로봇이 착용자의 땀, 각질 등에도 끄떡없이 장기간 안정적으로 제어 가능하도록 도와주는 근전도 센서 기술이 개발됐다.

한국과학기술원(KAIST)은 전기및전자공학부 정재웅 교수와 기계공학과 김정 교수 연구팀이 피부 상태에 영향을 받지 않는 고품질의 전기 생리 신호 측정이 가능한 신축·접착성 마이크로니들 센서를 개발하는 데 성공했다고 23일 밝혔다.

다양한 재활치료에 활용되는 웨어러블 로봇이 사람의 움직임 의도를 인식하기 위해서는 몸에서 발생하는 근전도를 정확하게 측정하는 웨어러블 전기 생리 센서가 필요하다.

신축·접착성 마이크로니들 센서. (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 (사진=KAIST)

기존의 센서들은 시간에 따라 신호 품질이 떨어지거나, 피부의 털, 각질, 땀 등의 영향을 받는 문제가 있었다. 또 피부보다 단단한 물성으로 움직임 시 피부 변형을 따라갈 수 없어 노이즈(신호 잡음)를 발생시킬 수 있었다.

새로 개발된 기술은 잘 늘어나며 접착성이 있는 전도성 기판에 피부 각질층을 통과할 수 있는 마이크로니들 어레이를 집적해 불편함 없이 장기간 고품질의 근전도 측정을 가능하도록 돕는다. 땀, 각질 등을 제거하는 피부 준비 작업을 거치지 않아도 착용자 피부 상태 변화에 상관없이 웨어러블 로봇을 안정적으로 제어할 수 있을 전망이다.

연구팀은 부드러운 실리콘 중합체 기판을 활용해서 마이크로니들을 집적해 신축·접착성 마이크로니들 센서를 제작했다. 단단한 마이크로니들이 높은 저항을 가진 피부의 각질층을 투과해 피부 접촉 저항을 효과적으로 낮췄다. 동시에 부드러운 전도성 접착 기판이 사람의 움직임으로 인한 피부의 늘어남에 순응해 편안한 착용감을 제공하고 움직임으로 인한 동작 잡음을 최소화할 수 있다.

신축·접착성 마이크로니들 센서 회로 패치를 이용한 웨어러블 로봇의 무선 폐회로 구동. (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 (사진=KAIST)

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 들어올릴 수 있도록 도와준다.

마이크로니들 센서 패치를 사용했을 때 피부 상태, 신체 움직임의 크기·종류와 상관없이 안정적인 근전도 센싱에 기반한 동작 의도 인식을 통해 웨어러블 로봇이 사용자의 동작을 효과적으로 보조할 수 있음을 연구팀은 확인했다.