땀과 햇빛으로 작동하는 새로운 건강 추적기

 

이러한 센서는 여러 바이오마커를 추적하여 다양한 건강 상태를 비용 효율적으로 관리하는 비침습적 도구를 제공한다.

 

착용형 땀 센서

땀은 혈액과 마찬가지로 귀중한 건강 정보를 담고 있지만, 이를 수집하는 것은 훨씬 덜 침습적이다. 이 개념은 Caltech 의료 공학 조교수이자 헤리티지 의학 연구소 조사자, 로널드와 조앤 윌렌스 학자인 웨이 가오(Wei Gao)가 만든 착용형 땀 센서의 개발을 주도한다.

지난 5년 동안 가오는 이러한 착용형 기기를 개선하여 소금, 설탕, 요산, 아미노산, 비타민, 심지어 특정 건강 위험을 나타내는 C-반응성 단백질과 같은 복잡한 분자를 포함한 광범위한 건강 지표를 감지했다. 오스트리아 린츠 요하네스 케플러 대학교의 마틴 칼텐브루너 팀과 협력하여 개발한 최신 혁신에서 가오는 이러한 센서에 배터리 없이 지속적으로 작동할 수 있는 유연한 태양 전지를 장착했다.

 

웨이 가오의 웨어러블 땀 센서에 전력을 공급하는 유연한 페로브스카이트 태양 전지. 출처: 스테판 뎀치신

태양열 구동 웨어러블 기술의 발전

가오 연구실에서 사용하는 태양 전지는 페로브스카이트 결정으로 만들어졌는데, 이는 미네랄인 칼슘 티타늄 산화물에서 처음 발견된 화학 구조를 공유하는 물질이다. 페로브스카이트는 여러 가지 이유로 태양 전지 개발자들의 관심을 끌었다.

첫째, 실리콘(1950년대부터 태양 전지에 사용된 주요 물질)보다 제조 비용이 저렴하며, 여러 공정을 거쳐 고도로 정제해야 한다.

둘째, 페로브스카이트는 실리콘 태양 전지 층보다 최대 1,000배 더 얇기 때문에 가오의 용어로는 "준 2D"이다.

셋째, 페로브스카이트는 야외 햇빛에서 다양한 형태의 실내 조명에 이르기까지 다양한 조명의 스펙트럼에 맞게 조정할 수 있다. 마지막으로, 태양 에너지 선구자들에게 가장 매력적인 점은 페로브스카이트 태양 전지가 실리콘보다 더 높은 전력 변환 효율(PCE)을 달성한다는 것이다. 즉, 수신한 빛의 더 많은 부분을 사용 가능한 전기로 변환할 수 있다는 의미이다.

 

페로브스카이트 태양 전지의 향상된 효율성

 

실리콘 태양 전지는 26~27% 범위의 PCE 수준에 도달했지만, 일반적으로 사용하는 경우 범위는 18~22% 사이이다. 반면, 가오의 웨어러블 땀 센서에 사용된 유연한 페로브스카이트 태양 전지(FPSC)는 실내 조명 아래에서 31%를 넘는 기록적인 PCE를 보인다. 가오는 "우리는 웨어러블에 전원을 공급하기 위해 강한 햇빛만 사용하고 싶지 않다."라고 설명한다. "우리는 일반적인 사무실 및 가정 조명을 포함한 더 실제적인 조건을 고려한다. 많은 태양 전지는 강한 햇빛에서는 효율이 높지만 약한 실내 조명 조건에서는 그렇지 않다." 땀 센서의 FPSC는 특히 실내 조명에 적합하다고 가오는 말한다. "FPSC의 스펙트럼 응답은 일반적인 실내 조명 방출 스펙트럼과 잘 일치한다."

 

 

피부 옆의 레이어(왼쪽)와 유연한 태양 전지(오른쪽)를 보여주는 웨어러블 땀 센서. 중간 레이어에는 전자 장치와 바이오마커 센서가 포함된다. 출처: Jihong Min

 

웨어러블 기기의 태양열 전력으로의 전환

가오의 웨어러블 땀 센서의 이전 반복은 부피가 크고 외부 전기 소스로 재충전해야 하는 리튬 이온 배터리로 구동되었다. 이러한 수요가 많은 기기에 전력을 공급할 더 가볍고 재생 가능한 전기 소스를 찾으려는 가오의 연구실은 실리콘 태양 전지를 사용해 보았는데, 이는 너무 단단하고 비효율적이며 강한 조명 조건에 의존한다는 것을 발견했다. 또한 인간의 땀(쉽게 구할 수 있는 바이오연료)과 신체 움직임에 있는 화학 물질에서 에너지를 수확하는 실험을 했지만, 이것들이 너무 불안정하거나 착용자의 노력이 너무 많이 필요하다는 것을 발견했다.

 

새로운 센서를 사용한 지속적인 건강 모니터링

FPSC를 사용하여 가오는 하루 12시간 착용할 수 있는 땀 센서를 만들어 pH, 소금, 포도당 및 온도를 지속적으로 모니터링하고 땀 속도를 주기적으로(5~10분마다) 모니터링할 수 있었다. 이 모든 것이 배터리나 특별히 전용된 광원 없이 달성된다. 게다가 전원이 더 가볍고 다루기 쉬워졌기 때문에 웨어러블에는 더 많은 바이오마커를 동시에 모니터링할 수 있는 추가 감지기를 장착할 수 있는 공간이 생겼다.

 

블루투스를 통해 웨어러블 땀 센서와 페어링되는 모바일 폰 애플리케이션. 출처: Jihong Min

최신 웨어러블 센서의 디자인과 기능

 

이 새로운 웨어러블 땀 센서는 이전 제품과 마찬가지로 종이접기 방식으로 조립되었으며, 각 층은 다른 프로세스에 할당되었다. 이 센서에는 상호 작용하는 주요 구성 요소가 4개 있다. 첫 번째는 전력 관리에 할당되어 태양 전지에서 수확한 전기를 분배한다.

두 번째는 착용자가 운동이나 고열에 노출되지 않고도 땀을 흘리게 하는 이온토포레시스를 가능하게 한다. 가오의 연구에서는 관찰 대상 바이오마커를 지속적으로 모니터링할 수 있을 만큼 충분한 땀이 공급되도록 3시간마다 이온토포레시스를 수행했다.

세 번째는 땀에 있는 다양한 물질의 전기화학적 측정을 가능하게 한다. 네 번째는 데이터 처리 및 무선 통신을 관리하여 센서가 휴대전화 앱과 인터페이스하여 센서 모니터링의 진행 중인 결과를 표시할 수 있도록 한다.

 

태양열 땀 센서의 경제적 및 임상적 잠재력

완전히 조립된 센서의 크기는 20 x 27 x 4mm이며 신체에 착용하는 것과 관련된 기계적 스트레스를 처리할 수 있다. "전자 장치와 FPSC와 같은 땀 센서의 대부분 요소는 재사용이 가능하다." 가오가 덧붙여 말했다. "유일한 예외는 일회용 센서 패치로, 잉크젯 인쇄를 사용하여 저렴한 비용으로 대량 생산할 수 있다." 이러한 센서 패치는 사용자가 신체에서 측정하고자 하는 물질에 따라 사용자 정의할 수도 있다.

 

건강 모니터링에 대한 더 광범위한 의미

이러한 태양열 땀 센서가 사용되면 현재 어떤 피트니스 또는 건강 추적기보다 훨씬 더 많은 것을 측정할 수 있다. 예를 들어, 당뇨병 관리(연구에 따르면 땀의 포도당은 혈액의 포도당과 밀접한 관련이 있음) 및 심장병, 낭포성 섬유증, 통풍과 같은 다양한 질환을 감지하는 데 사용할 수 있다. 비침습적이고 단시간에 여러 번 측정할 수 있기 때문에 이러한 센서는 코르티솔, 호르몬 또는 다양한 영양소와 약물의 대사산물과 같은 물질에 대한 개인의 기준선을 식별할 수 있다. 이러한 물질의 기준선이 알려지면 향후 이러한 기준선에서 벗어나면 단일 채혈보다 더 효과적인 진단 수단이 제공된다. 그리고 센서가 비교적 저렴하기 때문에 개발도상국을 포함한 전 세계적으로 우수한 진단 도구가 될 수 있기를 바란다.