바이오인

Bio-inspired 기술 : 불가사리 모양의 웨어러블 디바이스

BioINwatch(BioIN+Issue+Watch): 25-26

 ◆︎ 다양한 신체 활동 중에도 생리 신호를 안정적으로 측정하고, 이를 통해 실시간 심장 질환을 진단할 수 있는 웨어러블 디바이스를 개발할 수 있을까?

○ 기존 웨어러블 디바이스는 신체 활동 중 발생하는 기계적 간섭으로 인해 정밀한 심장 신호(ECG, SCG, GCG 등) 측정에 한계

- 기존의 웨어러블 바이오전자 장치는 일반적으로 단일 기판(monolithic substrate) 위에 센서, 데이터 수집 모듈, 전도성 회로 등을 통합하는 구조로 설계

○ 이런 구조는 기계적 간섭에 취약하여 정적인 상태에만 적합하고, 생체 신호 간 상호 정보 결합력이 부족

- 신체가 움직일 때, 센서와 피부 사이의 상대적 움직임으로 인해 심장 기계 신호(ECG, SCG, GCG 등)에 왜곡이 발생. 정지 상태에서만 유효한 데이터를 수집할 수 있어 일상생활 중 실시간 건강 모니터링에는 부적합

※ 특히 운동 중에는 노이즈가 심해 정확한 생체 신호 측정이 어려움

- 또한 ECG, SCG, GCG 중 하나 또는 두 개만을 사용하는 경우가 많아 생체 신호 간 상호 정보를 결합하기 어려워 복합적인 심장 진단 정확도가 떨어짐

○ 이러한 한계를 극복하기 위해 연구팀은 생체모사형(불가사리) 장치를 설계하고 이를 기반으로 정밀 진단 시스템 개발 가능성을 연구

- 특히, 불가사리의 구조에서 영감을 받은 5개 독립 센서 구조로 기계적 간섭을 최소화하고자 하였으며,

※ 운동 중에도 고정밀/고신뢰성 생체신호(ECG, SCG, GCG)를 동시 수집

- 머신러닝(ML) 기반의 모션 인식 및 적응형 필터링 시스템을 도입해, 운동 중에도 심장 기계 신호의 정밀도를 유지하는 방법을 고안

◆︎ 불가사리의 오방대칭(pentaradial symmetry)을 모방한 5개의 독립된 감지 팔과 중앙 

허브를 핵심으로 한 웨어러블 디바이스를 설계

○ 5개의 유연한 감지 팔(free-standing sensing arms) + 중앙 처리 허브로 구성된 장치는 

각 팔이 독립적으로 움직이며 기계적 간섭을 최소화

- 세부적으로 25μm 두께의 폴리이미드(PI) 기판, 구리 전극, 고성능 센서(BMI270, 

가속도계/자이로센서), 무선 통신 모듈 등으로 구성

※ 전면은 전자 회로, 후면은 피부 접촉용 전극으로, 총 무게 약 1.7g, 방수 및 무선충전 가능

- 이 장치는 세 가지 생체 신호(ECG(심전도), SCG(심낭진동도), GCG(자이로심장도))를 동시 수집

- 또한 FeA(Finite Element Analysis) 분석에서 기존 모놀리식 설계 대비 5-팔 구조가 가장 낮은 

응력 결합 계수*(15.7%)를 나타냄을 입증

※ 응력 결합 계수(stress coupling coefficient)는 한 부위에 힘(변위)을 줬을 때, 다른 부위가 얼마나 영향을 받는지 나타내는 지표로, 응력 결합 계수가 낮을수록 움직일 때 한 팔의 진동/변형이 다른 팔로 전달되지 않아 신호 왜곡이 줄어드는 것을 의미

< 다양한 구조(모놀리식, 4팔, 5팔, 6팔)에 따른 FeA 시뮬레이션 >

¶ 왼쪽 상단 모서리에 10mm 변위를 적용했을 때 응력 결합(stress coupling)은 모든 구성에서 대각선 축을 따라 발생하며, 5팔의 구성은 모놀리식(73.1%), 4-팔(35.6%), 6-팔(23.9%) 설계보다 훨씬 낮은 수치인 15.7%의 응력 결합 계수(stress coupling coefficient)를 나타냄

출처 : Science Advances, Starfish-inspired wearable bioelectronic systems for physiological signal monitoring during motion and real-time heart disease diagnosis, 2025.4.2.

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