[바이오토픽] 차세대 웨어러블 전자장치의 동력원: 촉촉한 손가락 끝(wet fingertip)
"당신이 잠든 사이에, 당신의 손가락 끝에서 분비되는 조그만 땀방울이 웨어러블 센서(wearable sensor)에 동력을 제공함으로써, 혈당이나 비타민 C 등의 건강 지표(health indicator)를 측정할 수 있다." 이것은 새로 개발된 첨단 장치—얇고 신축성 있는 장치로, 밴드에이드(Band-Aid)처럼 손가락 끝에 감는 장치—의 약속이다. 개발자에 의하면, 그것은 지금껏 개발된 것 중에서 가장 효율적인 「땀으로 구동되는 에너지 수확기(sweat-powered energy harvester)」라고 한다.
"손가락 끝에서 나오는 미량(微量)의 땀을 수확하는 능력은 매우 독특하다"라고 노스웨스턴 대학교의 루즈베 가파리(의료공학)는 논평했다.
전세계의 연구자들은 현재 러너의 가속(acceleration)에서부터 당뇨병 환자의 혈당에 이르기까지 모든 것을 측정하는 웨어러블 센서를 개발하느라 구슬땀을 흘리고 있다.
그러나 그런 센서가 널리 사용되는 것을 가로막는 가장 큰 장애물은 '동력을 지속적으로 제공하는 능력'이다. 배터리는 부피가 크고 수명이 짧으며, 태양전지는 야간에 작동하지 않지 않기 때문이다. 보다 최근에, 연구자들은 동력을 생산하기 위해 신체부위에 눈을 돌렸다.
땀은 특히 유망한 에너지원이다. 왜냐하면 땀에는 무기호흡—당신이 과격한 운동을 할 때, 신체가 신속히 에너지를 얻기 위해 사용하는 방법—의 부산물인 젖산(lactate)이 포함되어 있는데, 젖산은 에너지를 생성하는 효소에 의해 분해될 수 있기 때문이다(아래 그림 참고). 그러나 기존의 장치들은 작동하기 위해 많은 땀을 필요로 하며, 대부분의 사람들은 헬스장에서 전자장치의 동력이 고갈되는 것을 원하지 않는다.
"에너지의 투자수익률(return on investment)이 매우 낮다는 게 문제다"라고 UCSD의 루 인(나노공학)은 말했다.
인(Yin)과 동료들은 고심 끝에 '손가락 끝'의 땀에 주목하게 되었다. 손가락 끝은 우리 몸에서 땀샘의 밀도가 가장 높은 곳—심지어 겨드랑이를 능가한다—이며, 격렬한 운동을 하든말든 지속적으로 땀을 생산한다. 게다가 우리는 전형적으로 손가락 끝에서 나는 땀에 신경을 쓰지 않는다. 왜냐하면 거의 지속적으로 증발하기 때문이다.
7월 13일 《Joule》에 실린 논문에 따르면(참고 2), 새로 개발된 장치는 면역이 겨우 1㎠에 불과하며, 손가락 끝에 감을 수 있을 정도로 신축성이 뛰어나다. 그것은 피부와 맞닿은 '신축성 있는 하이드로젤(htdrogel)'을 이용하여 땀을 수확하며, 젤의 꼭대기에 있는 3개의 폼블록(foam block)이 전극의 역할을 한다. 2개의 블록에는 효소가 들어 있어 젖산으로부터 전자를 받아들이며, 나머지 1개에는 백금(platinum)이 들어 있어 전자를 이용해 산소를 물로 전환한다. 이러한 과정을 통해 장치를 통해 전자가 흐르면 전력이 생산된다.
이 장치는 하룻밤 잠자는 동안 1㎠당 300밀리줄(millijoule)의 에너지를 생산할 수 있는데, 이 정도면 손목시계를 하루 종일 구동할 수 있다. 더욱이 이 장치를 착용한 사람이 두 개의 손가락으로 장치를 누를 경우, 역학적 에너지(mechanical energy를 전력으로 전환하는 발전기 덕분에 1㎠당 30밀리줄의 에너지를 추가로 생산할 수 있다. 연구팀은 이러한 에너지를 이용하여 웨어러블 비타민 C 센서를 구동하고 화면에 숫자를 표시할 수 있음을 증명했다.
"우리가 개발한 장치의 특징은, 인체에서 에너지를 지속적으로 수확할 수 있다는 것이다"라고 칼텍의 웨이 가오(의료공학)는 말했다. "동력의 관점에서 보면, 이 장치는 웨어러블 센서의 실용성을 더욱 향상시킬 것으로 기대된다."
"웨어러블 센서는 아직 개발 초기단계에 있지만, 이번 연구는 웨어러블 센서를 일상적 현실(everyday reality)로 만드는 밑거름이 될 것이다"라고 가파리는 말했다.
※ 참고문헌
1. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2213231719311176
2. https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(21)00292-0
※ 출처: University of California, San Diego https://ucsdnews.ucsd.edu/pressrelease/calling-all-couch-potatoes-this-finger-wrap-can-let-you-power-electronics-while-you-sleep
바이오토픽 양병찬 (약사, 번역가)
서울대학교 경영학과와 동대학원을 졸업하고, 은행, 증권사, 대기업 기획조정실 등에서 일하다가, 진로를 바꿔 중앙대학교 약학대학을 졸업하고 약사면허를 취득한 이색경력의 소유자다. 현재 서울 구로구에서 거주하며 낮에는 약사로, 밤에는 전문 번역가와 과학 리...
생명과학 양병찬 (2021-07-14)