By SABRINA WEISS, WIRED UK

피부는 인체의 가장 크고 복잡한 장기이다. 현미경으로 자세히 관찰하면, 뇌가 다른 영역으로 연결되도록 유지하고는 촉감과 압력, 고통을 느끼도록 하는 신경 말단이 무수히 많은 것을 확인할 수 있다. 그러나 저난 바오(Zhenan Bao) 박사는 피부를 자세히 관찰하면서 다른 부분에 집중했다.

폴리머 제작 연구에 집중하던 화학 엔지니어인 바오 박사는 피부가 감각 기관이면서도 물질이라고 생각한다. 바오 박사의 설명을 빌어 이야기하자면, 피부는 유연하면서도 신축성과 자가 치유 능력, 생분해성을 갖추었다. 바오 박사는 전자 피부라는 신흥 분야에서 인공 신체와 로봇 공학 분야에서 사용할 인간 피부의 다양한 기능 재생성이라는 목표를 삼았다. 촉감이 있다면, 인공 관절을 착용하는 이들의 삶의 질을 매우 놀라운 수준으로 개선할 수 있을 것이다. 부드러움과 단단함은 물론이고, 실제로 다치기 전에 위험할 정도로 날카로운 것, 화상을 입을 정도로 뜨거운 것을 구분할 수 있을 것이다.

바오 박사가 스탠퍼드대학교 연구팀으로 합류한 2004년, 촉감을 모방할 인공 손을 감쌀 수 있는 플렉서블 센서(flexible sensors)를 연구하는 이는 거의 없었다. 바오 박사의 기존 플렉서블 디스플레이 연구 경험으로 플렉서블 센서 개발이 유용하다는 사실을 입증할 수도 있었다. 2010년, 바오 박사 연구팀은 날아다니다가 멈춘 나비의 촉감을 감지할 정도로 민감한 플렉서블 센서를 개발했다.

바오 박사는 “현재의 전자 장치는 매우 딱딱하고 부서지기 쉬운 데다가 무겁다. 그러나 실제 피부처럼 보이도록 제작한다면, 인간이 전자 장치와 상호작용하는 방식과 연결 방식을 180도 바꿀 수도 있다”라고 말했다. 외부 환경에 맞선 자연 보호막으로 형성된 피부가 인간과 장치를 연결하는 역할도 할 수 있다.

바오 박사는 로봇 공학과 인공 신체 이외에도 웨어러블 장비 영역에도 전자 피부(e-skin)를 적용할 수 있다고 생각한다. 신체와 같은 제2의 피부를 착용하고 센서를 이용해 혈압이나 체온, 혈당, 산소포화도 등을 실시간으로 정확히 측정할 수 있다고 상상해보아라. 바오 박사는 “하루 동안의 걸음 수나 심박 수 측정을 넘어서 웨어러블 기기에 전자 피부를 활용한다면 큰 이득이 될 것이다’라고 주장했다.

바오 박사의 스탠퍼드대학교 연구실에서 탄생한 전자 피부는 앞으로 수년간 생산되면서 임상시험 단계에 돌입할 수 있다. 바오 박사가 창업한 실리콘밸리 스타트업 피르아메스(PyrAmes)는 현재 손목이나 발 주변을 감싸고 인큐베이터에 있는 미숙아의 혈압을 측정할 소프트 밴드를 개발 중이다. 밴드는 감염이나 조직, 신경 손상 위험성이 있는 주사 없이 일반적으로 동맥 라인과 같이 혈류를 계속 기록하도록 설계됐다. 밴드는 태블릿과 무선 호환이 가능해, 실시간으로 혈압 변화를 확인할 수 있다.
 
피르아메스의 소프트밴드와 같은 전자 피부 적용 사례에서 전자 장치는 처음부터 신축성과 유연성을 갖추어야 한다. 바오 박사 연구팀은 신축성과 유연성을 염두에 두고 조직 폴리머를 제작하려 분자 접근방식을 택했다. 폴리머는 긴 종이 클립 체인처럼 연결된 수많은 반복 단량체로 구성된 대형 분자이다. 연구팀은 단량체의 구조를 바꾸어 신축성을 더하고, 착용할 때나 인체 내에 삽입할 때 꼭 맞는 형태를 갖추도록 제작했다.

바오 박사는 다년간 피부에서 영감을 받은 전자 장비를 연구했다. 2018년에는 스탠퍼드대학교 화학공학부 학장으로 부임해, 물질과 전자 장치, 시스템, 데이터, 의학 분야의 과학자가 모여 전자 피부 개발 업계로 연결하는 대학 전반의 프로그램인 ‘스탠퍼드 웨어러블 전자 장치 계획(eWEAR)’을 설립하고는 이끌었다. 바오 박사는 나비 감지 센서를 포함하여 미국 특허 100건 이상 취득했다.

바오 박사 연구팀은 늘리고 접을 수 있으며, 심지어 압축도 가능한 디스플레이용 폴리머 재료를 개발 중이다. 2022년 3월, 3년 넘게 연구한 뒤 네이처(Nature)에 전구의 필라멘트처럼 빛나는 발광 폴리머 소재의 원리를 증명하는 연구 논문을 게재했다. 연구팀은 직접 개발한 장치를 손가락 마디에 착용할 수 있다는 점과 찢어지지 않은 상태에서 길이를 두 배로 늘리는 모습을 시연했다. 바오 박사는 “신축성이 있어, 형태 변형이 가능한 소재이다”라고 말했다. 시제품은 정적인 저해상도 이미지만 보여줄 수 있다. 그러나 중요한 신호를 측정하여 보여줄 수 있는 인체에 착용한 전자 장치 탄생이라는 미래의 근간이 될 것이다.

바오 박사는 전자 피부의 잠재적인 적용 대상이 많다고 언급했다. 그러나 전자 피부 상용화를 위해 나아갈 길은 멀다. 바오 박사는 여전히 인공 신체든 웨어러블 자비이든 중요한 삽입 장치이든 장기적으로 의학 진단과 보건 복지 분야에 도움이 될 전자 장치 개발에서 큰 영감을 받는다. 바오 박사는 작은 단계와 센서, 서킷 등 개별 구성요소와 유연함과 신축성, 생분해성을 갖춘 소재 등 연구팀의 개발 성공에 집중한다. 바오 박사는 “전자 피부 개발 분야가 진화하면서 장기적으로 성과를 얻으려면, 머지않아 영향을 미칠 수 있음을 보여주어야 한다”라고 말했다.

** 위 기사는 와이어드UK(WIRED.co.uk)에 게재된 것을 와이어드코리아(WIRED.kr)가 번역한 것입니다. (번역 : 고다솔 에디터)

<기사원문>
Electronic Second Skins Are the Wearables of the Future