거미줄 영감받은 보이지 않는 친환경 피부 부착 센서 개발

생체 표면에 직접 프린팅되는 적응형 친환경 센서

연구자들은 손가락이나 꽃잎 같은 다양한 생체 표면에 직접적이고 지각 불가능하게 프린팅할 수 있는 적응형 친환경 센서 제작 방법을 개발했습니다.

케임브리지 대학 연구자들이 개발한 이 방법은 다양한 표면에 적응하고 부착할 수 있는 거미줄에서 영감을 받았습니다. 이 '거미줄'들은 바이오일렉트로닉스도 통합해 다양한 감지 능력을 '거미줄'에 추가할 수 있습니다.

"가장 큰 과제 중 하나는 기존 제작 방법에서 벗어나 센서 섬유를 생산하기 위한 방사 메커니즘을 고안하는 것이었습니다."라고 연구 책임자 옌얀 셰리 황 교수가 Tech Briefs와의 독점 인터뷰에서 말했습니다.

머리카락 50분의 1 두께, 민들레 홀씨에도 프린팅 가능

최소 머리카락 50분의 1 두께의 섬유들은 너무 가벼워 연구자들이 민들레 홀씨의 복슬복슬한 씨머리에 직접 프린팅해도 구조가 붕괴되지 않았습니다. 사람 피부에 프린팅하면 섬유 센서가 피부에 밀착되고 땀구멍을 노출시켜 착용자가 존재를 감지하지 못합니다. 사람 손가락에 프린팅된 섬유 테스트 결과 지속적인 건강 모니터로 사용될 수 있음을 시사합니다.

"초기 아이디어는 전자 피부와 거미줄의 결합에서 영감을 받았습니다."라고 황 교수는 덧붙였습니다.

저폐기·저배출 방법으로 생체 구조 증강

이 저폐기·저배출 방법으로 생체 구조를 증강하는 것은 의료, 가상현실, 전자 섬유, 환경 모니터링 등 다양한 분야에 활용될 수 있습니다. 결과는 Nature Electronics에 발표되었습니다.

제조 공정: 수용액에서 방사 방식으로 섬유 생성

"먼저 전도성 입자, 히알루론산, 폴리머 바인더로 구성된 수용액을 만듭니다."라고 황 교수는 공정을 설명했습니다. "이 용액을 주사기 팁에 공급해 팁에 작은 펜던트 방울을 만듭니다. 회전 암이 펜던트 방울에 접촉해 방울을 늘려 감지 섬유를 만듭니다."

기존 웨어러블 센서의 한계 극복

사람 피부는 놀랍게 민감하지만, 전자 센서로 증강하면 우리가 주변 세계와 상호작용하는 방식을 근본적으로 바꿀 수 있습니다. 예를 들어 피부에 직접 프린팅된 센서는 지속적 건강 모니터링, 피부 감각 이해, 게임이나 가상현실 애플리케이션에서 '현실감' 향상에 사용될 수 있습니다.

내장 센서가 있는 스마트워치 같은 웨어러블 기술은 널리 이용 가능하지만, 이 기기들은 불편하고 거추장스러우며 피부 고유의 감각을 억제할 수 있습니다.

웨어러블 센서 제작에는 여러 방법이 있지만 모두 단점이 있습니다. 유연 전자소자는 보통 가스나 수분이 통과하지 않는 플라스틱 필름에 프린팅되어 피부를 랩으로 감싼 것과 같습니다. 다른 연구자들은 최근 가스 투과성인 인공 피부 같은 유연 전자소자를 개발했지만, 여전히 정상 감각에 간섭하고 에너지·폐기물 집약적 제조 기술에 의존합니다.

3D 프린팅은 다른 생산 방법보다 폐기물이 적어 바이오일렉트로닉스의 잠재적 경로지만, 정상 행동을 방해할 수 있는 더 두꺼운 장치를 만듭니다. 전자 섬유 방사는 사용자에게 지각 불가능한 장치를 만들지만 감도나 정교함이 높지 않고, 대상 물체로 전송하기 어렵습니다.

케임브리지팀의 혁신: 생체 표면 직접 프린팅 고성능 바이오일렉트로닉스

이제 케임브리지 주도 팀은 손가락 끝부터 민들레 홀씨까지 다양한 생체 표면에 맞춤화해 직접 프린팅할 수 있는 고성능 바이오일렉트로닉스를 만드는 새로운 방법을 개발했습니다. 그들의 기술은 최소한의 재료로 환경에 적응한 정교하고 강한 거미줄 구조를 만드는 거미에서 부분적으로 영감을 받았습니다.

연구자들은 PEDOT:PSS(생체적합성 전도성 폴리머), 히알루론산, 폴리에틸렌 옥사이드로 바이오일렉트로닉 '거미줄'을 방사했습니다. 고성능 섬유는 상온에서 수성 용액으로 생산되어 연구자들이 섬유의 '방사성'을 제어할 수 있게 했습니다. 연구자들은 생체 표면의 미세구조(지문 등)까지 변형할 수 있게 하는 오비탈 방사 접근법을 설계했습니다.

테스트 결과: 지각 불가능하면서 고성능 센서 구현

사람 손가락과 민들레 홀씨 등 표면에서 테스트한 바이오일렉트로닉 섬유들은 호스트에게 지각 불가능하면서 고품질 센서 성능을 제공함을 보였습니다.

"당장 다음 단계는 애플리케이션 기반 시나리오를 수립해 센서 시스템의 어느 부분을 지각 불가능한 섬유로 만들고, 나머지는 기존 마이크로제작 장치/전자섬유로 할지 결정하는 것입니다."라고 황 교수는 언급했습니다.