손짓 10개 94.5% 판독…피부 전극이 기계와 말한다

20채널 전극·32채널 반도체 결합
계산기 입력·의사표현 변환 실증
국제학술지 ‘Small’에 연구 게재

부산대학교 심현석·박성윤 교수 공동연구팀이 개발한 신축성 생체전극과 저전력 반도체 기반 바이오인터페이스의 작동 구조.(사진=부산대학교 제공)

팔 근육에서 나오는 미세한 전기신호를 읽어 손동작을 구별하고 전자기기를 움직이는 웨어러블 시스템이 개발됐다.

부산대학교 전기전자공학부 심현석·박성윤 교수 공동연구팀은 신축성 생체전극과 저전력 반도체를 하나로 연결해 10가지 동작을 평균 94.5%의 정확도로 판별했다.

심 교수팀은 전도성 고분자 PEDOT:PSS에 P123과 DMSO를 함께 적용해 피부에 밀착하면서도 늘어나는 복합전극을 만들었다.

전극은 40% 늘어난 상태에서도 전기적 특성을 유지했다. 1000차례 반복해 당기고 놓는 시험에서도 안정적으로 작동했으며, 생체적합성 평가에서는 대조군 대비 87.9%의 세포 생존율을 보였다.

연구진은 전극을 20개 채널로 배열한 뒤 박 교수팀이 설계한 32채널 맞춤형 반도체 'NR32A1'과 연결했다.

이 칩은 전극이 포착한 신호를 키우고 불필요한 잡음을 거른 뒤 디지털 정보로 바꾼다. 상용 생체신호 측정용 반도체보다 면적은 47%, 전력 사용량은 30% 줄였다.

연구팀은 전극을 팔뚝에 붙여 손을 움직일 때마다 달라지는 근전도 분포를 동시에 수집했다. 이 자료를 선형판별분석 방식의 머신러닝에 적용해 10가지 동작을 분류했다.

인식 결과를 기기 조작으로 잇는 실험도 진행했다. 각 동작에 숫자 1∼5와 사칙연산 기호, 등호를 지정하자 사용자가 손짓만으로 숫자와 연산자를 입력해 계산을 수행할 수 있었다.

특정 동작을 '배고픔'이나 '목마름' 같은 표현으로 바꾸는 기능도 시험했다. 연구팀은 말하거나 움직이는 데 어려움이 있는 사람을 위한 보완대체의사소통 장치로 활용할 가능성을 확인했다.

심현석 교수는 유연한 전극 개발을 넘어 신체신호의 측정과 의도 해석, 외부 장치 제어를 한 시스템에서 구현한 데 의미가 있다고 설명했다.

연구에는 박사과정 김태권 연구원이 제1저자로 참여했다. 박성윤·심현석 교수는 공동 교신저자를 맡았다.

논문은 '실시간 손동작 분류를 위한 신축성·생체적합성 전극 어레이-칩 시스템'이라는 제목으로 국제학술지 'Small' 8월 28일자에 실렸다.

이번 성과는 한국연구재단 기초연구사업과 포스코청암재단 POSCO Science Fellowship, 한국산업기술진흥원 산업혁신인재성장지원사업, 지역성장형 인재양성체계(ANCHOR) 사업의 지원을 받았다.

부산=김성욱 기자